(57)【要約】【課題】加工性とプレス成形性という両者の相反する性質を有し、且つ低コストで作製することが可能な光学素子用成形型及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る光学素子用成形型の製造方法は、表面に成膜面を有する金型を準備する工程と、成膜面に非晶質薄膜を形成する工程と、非晶質薄膜層に加工を施すことで光学素子の転写面を形成する工程と、転写面を作成した後、前記非晶質薄膜層にエネルギー付与を行い、力学的特性を変化させる工程とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に成膜面を有する金型を準備する工程と、
前記成膜面に非晶質薄膜を形成する工程と、
前記非晶質薄膜層に加工を施すことで光学素子の転写面を形成する工程と、
前記転写面を作成した後、前記非晶質薄膜層にエネルギー付与を行い、力学的特性を変化させる工程と
を備えている、光学素子用成形型の製造方法。
【請求項２】
前記非晶質薄膜層へのエネルギー付与は、イオン注入、電子線照射、加熱、加圧、のいずれかで行われる、請求項１に記載の光学素子用成形型の製造方法。
【請求項３】
前記非晶質薄膜は、炭素及びホウ素の少なくとも一方の元素を含有する、請求項１または２に記載の光学素子用成形型の製造方法。
【請求項４】
前記非晶質膜は、金属元素がドーピングされている、請求項１から３のいずれかに記載の光学素子用成形型の製造方法。
【請求項５】
前記転写面は切削加工または研削加工より形成される、請求項１から４のいずれかに記載の光学素子用成形型の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の製造方法により製造される光学素子用成形型に対し、前記非晶質薄膜層の少なくとも一部を除去する工程と、
前記非晶質薄膜層の少なくとも一部が除去された面に、非晶質薄膜を形成する工程と、
前記非晶質薄膜層に加工を施すことで転写面を作成する工程と、
前記転写面を作成した後、前記非晶質薄膜層にエネルギー付与を行い、力学的特性を変化させる工程と
を備えている、光学素子用成形型の製造方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の製造方法により製造される光学素子用成形型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズを成形する成形型、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高精度な光学ガラス素子をプレス成形により作製するにあたり、繰り返し成形するためには、良好な像形成品質を有する金型が必要である。一般的に、このような金型は、金型母材(タングステンカーバイドなど)を研削加工することにより作製される。そして、金型母材の加工面に保護膜を施すことで、ガラスのプレス成形に対する耐久性や耐摩耗性を向上させている。しかしながら、このように母材を直接研削加工する方法は、母材が硬質であるため、加工時間が長く、それに伴うコストが大きいという問題があった。また、切削した母材表面に保護膜を施す際に、膜のむらが発生すると、金型の加工面が変形してしまうといった問題があった。
【０００３】
そこで、特許文献１には、保護膜を再度、精密切削加工することにより、保護膜を施す際に生じた形状の劣化を修復することが開示されている。しかしながら、この方法では、成形型の製造がさらに複雑になり、加工時間やそれに伴うコストの面の問題は依然として解消しない。
【０００４】
これに対して、特許文献２では、非晶質合金薄膜を金型母材にコーティングした後、膜部分を切削加工することで、光学レンズ用の成形型を作製する方法が開示されている。この方法により、母材の加工後に保護膜を施す必要がなく、金型作製時間の大幅に短縮することができるようになった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２９５６１０９号公報
【特許文献２】特開平６−１４４８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献２においては、非晶質合金薄膜の素材として、白金、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、タンタル、オスミウムが挙げられているが、これらを用いた合金薄膜は、元素の比率を変えることで硬度を調節することができる。しかしながら、硬度が高くなると加工性が低下し、硬度が低くなると耐摩耗性が低下し保護膜として機能しなくなる。そのため、高い加工性と高いプレス成形性を両立し、且つ低コストである光学素子用成形型が要望されていた。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、加工性とプレス成形性という両者の相反する性質を有し、且つ低コストで作製することが可能な光学素子用成形型及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光学素子用成形型の製造方法は、表面に成膜面を有する金型を準備する工程と、前記成膜面に非晶質薄膜を形成する工程と、前記転写面を作成した後、前記非晶質薄膜層にエネルギー付与を行い、力学的特性を変化させる工程とを備えている。
【０００９】
この構成によれば、金型表面の成膜面に非晶質薄膜に転写面を形成した後、エネルギー付与を行うことで、転写面の力学的特性を変化させている。したがって、加工性の高い、例えば硬度の低い非晶質薄膜を形成し、所望の転写面を形成した後に、エネルギー付与を行うことで非晶質薄膜の力学的特性を変化させ、例えば硬度を向上させることができる。これにより、転写面の形成時には加工性がよく、硬度が不足していたとしても、エネルギー付与により硬度を向上させることができるため、成形型としての耐摩耗性能を向上することができる。したがって、加工性とプレス成形性とを両立する光学素子用成形型を作製することができる。また、転写面の加工時は非晶質薄膜の加工性が高いため、製造時間を短縮することができ、ひいては製造コストを低減することができる。
【００１０】
なお、変化させる力学的特性は、上述した硬度のほか、摩擦摩耗、弾性変形能、ヤング率とすることができる。これらの力学的特性は、例えば、イオン注入、電子線照射、加熱、加圧といったエネルギー付与の方法で変化させることができる。
【００１１】
また、加工性の高い非晶質薄膜として、炭素及びホウ素の少なくとも一方の元素を含有する材料を用いることができる。これにより、例えば、エネルギー付与の方法として電子線照射を用いた場合には、合金膜と異なり、非晶質薄膜の部位を規則化した部位で取り囲む複合膜となる。
【００１２】
上記製造方法において、非晶質膜は、金属元素がドーピングされたものとすることができる。
【００１３】
上記製造方法において、転写面は切削加工により形成することができる。このほか、研削加工でもよい。
【００１４】
ところで、上述した光学素子用成形型を使用して繰り返し光学素子の成形を行うと、転写面が経時的に損傷することがある。この場合、転写面を切削加工などにより削り取って新たな転写面を形成することが考えられるが、このようにすると、金型まで削り取られる場合があり、成形型自体が損傷するおそれがあった。そこで、次のような再利用の方法がある。すなわち、上述した方法により製造される光学素子用成形型に対し、非晶質薄膜層の少なくとも一部を除去した後、この非晶質薄膜層の少なくとも一部が除去された面に、非晶質薄膜を形成し、その後、非晶質薄膜層に加工を施すことで転写面を作成し、この転写面を作成した後、前記非晶質薄膜層にエネルギー付与を行い、力学的特性を変化させると、再利用可能な成形型を作製することができる。
【００１５】
この方法によれば、金型を削り取ることなく、新たな転写面を容易に形成することができる。ここで用いられる非晶質薄膜の少なくとも一部を除去する方法としては、例えば、ドライエッチングを用いることができる。
【００１６】
本発明に係る光学素子用成形型は、上述した製造方法により製造される光学素子形成用金型である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る光学素子用成形型及びその製造方法によれば、加工性とプレス成形性という両者の相反する性質を有し、且つ低コストで作製することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るガラスレンズ用成形型の断面図である。
【図２】切削後の転写面を撮影した光学顕微鏡写真である。
【図３】スクラッチ試験の結果である。
【図４】電子線(EB)照射後の荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とのヒステリシス曲線である。
【図５】プレス後における非晶質薄膜の剥離状態の光学顕微鏡写真である。
【図６】非晶質薄膜の除去後の写真である。
【図７】実施例１（ｂ）及び実施例２（ｂ）におけるスペクトル分析の結果を示すグラフである。
【図８】実施例１及び実施例２における６００℃のヒートサイクル試験の結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る光学素子用成形型及びその製造方法の一実施形態についてガラスレンズを成形する場合を図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るガラスレンズ用成形型の断面図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態に係るガラスレンズ用成形型は、ガラス転写用の成膜面１１を有する金型１と、この成膜面にコーティングされた非晶質薄膜２とで、構成されている。以下、金型１及び非晶質薄膜２についてさらに詳細に説明する。
【００２１】
（金  型）
金型１を構成する材料としては、タングステンカーバイト（ＷＣ）、タングステンカーバイト（ＷＣ）−コバルト（Ｃｏ）などの各種超硬材料、鉄または鉄合金など、炭化ケイ素、窒化ケイ素のセラミックス材料、カーボンを用いることができる。
【００２２】
成膜面１１は、金型１の上面に形成されており、成形するガラスレンズの形状に沿うように形成されている。例えば、凸曲面状、凹曲面状、平面状にすることができる。そして、この成膜面１１は、一般的には、ダイヤモンドラッピング、などで鏡面加工されているが、表面粗さ（Ｒａ）が０．００１μm〜０．０１μｍ程度であってもよい。
【００２３】
（非晶質薄膜）
非晶質薄膜２は、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）の少なくとも１つが主要な元素として含有されるものであり、これらの元素の含有率が３０〜９５原子％であることが好ましい。また、非晶質薄膜２は、これらを組み合わせたＢＮ，ＢＣ，ＣＮなどの化合物（Ｎ単体を除く組み合わせ）で構成することもできる。さらに、金属を添加することもでき、添加される金属は５原子％以下にすることが好ましく、３原子％以下にすることがさらに好ましく、１原子％以下にすることが特に好ましい。添加される金属としては、例えば、Ｃｕのほか、金属カーバイトを形成しないＮｉ，Ａｌ，Ｓｉなどを挙げることができる。このように、金属の添加を行うと、非晶質膜のグラファイト化を防止することができる。また、非晶質薄膜２の膜厚は、１０ｎｍ〜１０μｍであることが好ましい。
【００２４】
（中間層）
図１では省略しているが、金型１の成形面１１と非晶質膜層２との間には、非晶質膜層の成形面への密着性を向上するため、中間層を介在させることができる。中間層は、金属カーバイドを形成する元素で構成することが好ましく、例えば、Ｗ，Ｃｒ，Ｔｉ等で構成することができる。また、これら元素を複数用いた傾斜層にすることもできる。中間層の膜厚は、例えば、５０ｎｍとすることができる。
【００２５】
（成形型の製造方法）
（１）金型の成膜面に上述したような非晶質薄膜を形成する。その表面の形状・寸法調整は、例えば、切削加工により行うことができる。
（２）必要に応じて中間層の成膜を行う。成膜方法としては、イオンプレーティング法、ＣＶＤ、スパッタリング等を用いることができ、次に説明する非晶質薄膜と同様の方法で成膜することができる。そして、中間層及び非晶質薄膜は、同一のチャンバー内で成膜することができる。
（３）非晶質薄膜の成膜を行う。成膜方法は、上述したとおり、中間層とほぼ同じである。また、非晶質薄膜としては、例えば、炭素非晶質薄膜の場合、硬度３ＧＰａ以上が好ましい。
【００２６】
スパッタリングを用いる場合、ターゲットとしては、上述した主要な構成元素を含有する材料が使用される。また、成膜雰囲気ガスは、メタン、エタン、エチレン、アセチレン等の炭化水素ガス、または一酸化炭素、ハロゲンを含む炭素含有ガスを用いることができる。さらに、これらのガスに、適宜、ヘリウム、アルゴン、ネオンなどの不活性ガスを添加した混合ガスを成膜雰囲気ガスとすることができる。スパッタリングの種類としては、このほか、ターゲットの近傍に磁石を配置したマグネトロン・スパッタリングや、ターゲットを向かい合わせに配置する対向スパッタリングなどを用いることができる。
【００２７】
また、上述したように、金属が添加された非晶質薄膜の成形を行うには、例えば、Ｃｏ−Ｄｏｐｉｎｇ法を用いることができる。すなわち、主要な構成元素をカーボンとし、銅を添加する場合、カーボンターゲット表面にスパッター率を考慮して、所定の面積の純銅シートを所定位置に円周状に複数箇所、カーボンテープで固定する。そして、カーボンターゲットと同時にスパッタリングを行うことで、銅をドープさせることができる。
（４）非晶質薄膜の表面を加工し、光学素子が転写される転写面を形成する。転写面は、切削加工、研削加工などで行うことができる。この場合、転写面の表面粗さ（Ｒａ）０．１ｎｍ〜１０ｎｍとすることが好ましい。
（５）転写面が形成された後には、エネルギーを付与して非晶質薄膜の力学的特性を変化させる。エネルギー付与の方法としては、例えば、イオン注入、電子線照射、加熱、加圧を用いることができ、これにより非晶質薄膜のアモルファス構造を変化させることができ、その結果、力学的特性が変化する。力学的特性とは、例えば、硬度、摩擦摩耗特性、弾性率変形能、ヤング率であり、上述したエネルギー付与により、これらを変化させる。具体的には、金型の転写面としての耐久性、耐摩耗性が向上するようなエネルギー付与を行う。例えば、電子線照射を行うと、非晶質薄膜の部位を規則化した部位で取り囲む複合膜となるため、力学的特性の一つである硬度が向上することが確認された。また、電子線照射を行う場合には、種々の条件が適用できるが、例えば、ドーズ量は平均で、６．０×１０１１ｓ−１ｍｍ−２であればよいが、少なくとも１．０×１０１０ｓ−１ｍｍ−２が必要であり、好ましくは、５．０×１０１０ｓ−１ｍｍ−２が必要であり、より好ましくは１．０×１０１１ｓ−１ｍｍ−２が必要である。より具体的には、例えば、管電圧６０ｅＶ、管電流０．３ｍＡ、照射距離１５ｍｍの条件下で加速された電子線を１時間照射するといった条件で行うことができる。なお、電子線照射の照射量は、電圧によっても変化し、電圧が大きくなるほど、照射量も増える。
【実施例】
【００２８】
続いて、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は以下の実施例には限定されない。
（実施例１）
Ａ．金型
金型として、直径２０．５ｍｍ，厚さ５ｍｍの円盤状の超硬材料（タングステンカーバイド）を用いた。その上面を平面研削加工し、続いて、ダイアモンドラッピングにより、鏡面加工を施し成膜面とした。その加工精度は、平行度で１μｍであった。
【００２９】
Ｂ．中間層の成膜
(1)ターゲット
純度９９．９９パーセントのタングステンターゲットおよび、純度９９．９９パーセントのカーボンターゲットを用いた。形状は、直径１５２．４ｍｍ、厚さ６ｍｍの円盤形である。
【００３０】
(2)成膜ガス雰囲気
アルゴンガスとメタンガスとの混合ガスにより、スパッタリングを行う。なお、混合ガスの全流量は、タングステン中間層では２３６．５ｓｃｃｍ一定、非晶質薄膜層では２４．５ｓｃｃｍ一定とした。
【００３１】
(3)成膜条件
タングステンのスパッタ投入電力（出力）を０．５ｋＷから徐々に低下させ、非晶質薄膜の成膜が始まる前にＯＦＦにした。一方、カーボンの出力はＯＦＦの状態から徐々に上げ続け、非晶質薄膜の成膜が始まる前には１．５ｋＷとした。すなわち、傾斜構造になるように成膜した。
【００３２】
Ｃ．非晶質薄膜の成膜
中間層上に、スパッタリングによる成膜を行い、厚さ約５．０μｍの非晶質カーボンからなる非晶質薄膜を形成した。非晶質膜の成膜は、中間層と同一チャンバー内で連続して行った。
【００３３】
(1)ターゲット
中間層と同じである。
【００３４】
(2)成膜ガス雰囲気
中間層と同じである。
【００３５】
(3)成膜条件
出力１．５ｋＷとした。
【００３６】
Ｄ．転写面の形成
剣先形状の単結晶ダイヤモンド工具を振動切削装置に組み込み、切削加工を施し、転写面を形成した。金型からの厚さは約４μｍとした。切削後の転写面を投影した光学顕微鏡増写真を図２に示す。
【００３７】
Ｅ．電子線照射
切削加工を施した転写面に電子線照射を行った。具体的には、管電圧６０ｋＶ、管電流０．３ｍＡ、照射距離１５ｍｍの条件下で加速された電子線を１時間照射した。
【００３８】
Ｆ．評価試験
上記方法で得られた転写面の評価を以下の方法で行った。
【００３９】
(1)密着性
スクラッチ試験により評価を行った。ここでは、ダイヤモンド圧子として、先端圧子が１２０度、曲率半径が０．２ｍｍの円錐形のものを用い、荷重負荷速度１００Ｎ／ｍｉｎ、圧子走査速度１０ｍｍ／ｍｉｎで測定を行った。その結果を図３に示す。図３に示すように電子線照射後においてもガラスプレス試験に十分耐えうる剥離荷重である最大臨界荷重１００Ｎ以上を計測した。
【００４０】
(2)硬度及び弾性
ナノインデンテーションテスターを用い、荷重０．４９０ｍＮ、分割数２５０回、ステップインターバル４０秒で行った。図４にその結果を示す。同図に示すとおり、電子線(EB)照射後、荷重負荷曲線(1)と荷重除荷曲線(2)とのヒステリシス曲線の差異が減少していることから、ゴム的弾性に変化していることがわかる。また硬度は、照射前の４．７２ＧＰａから照射後には７．５６ＧＰａへ向上した。
【００４１】
(3)耐摩耗性
ダイヤモンド圧子（ＡＦＭ用）を用いて、転写面（２μｍｘ２μｍ）を所定の回数スクラッチし、各サイクルでのスクラッチ深さを精密形状測定装置で計測した。摩耗深さは、そのスクラッチ部の最大値である。結果を表１に示す。これより、電子線(ＥＢ)照射後の非晶質薄膜はＤＬＣよりも優れていることがわかる。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
(4)成形性
非晶質薄膜について、ガラスモールドプレス成形機によって成形性を調査した。作製した非晶質膜の上にＬ−ＬＡＬ１３ガラス（オハラ株式会社 製）を乗せ、６００℃、９０秒間、０．５ｋＮでガラスプレスを行い、プレス後の非晶質薄膜の剥離状態を光学顕微鏡により確認した。図５にその結果を示す。この結果より、照射前に比べ損傷が軽減されることがわかった。
【００４４】
Ｇ．再利用
多数のプレス成形を行った後に、以下のようにして、転写面の再生を行った。まず、酸素プラズマにより非晶質薄膜を除去した。具体的には、プラズマエッチング装置ＥＸＡＭ（神港精機株式会社 製）を用い、電力６００Ｗ、酸素流量１００ｍｌ／ｍｉｎ、処理時
間２０ｍｉｎの条件下で非晶質薄膜の除去を行った。図６に非晶質薄膜の除去後の写真を示す。このように酸素プラズマにより簡単かつ短時間で非晶質薄膜の除去ができる。その後、上述した方法で、再度非晶質薄膜の形成、電子線照射を行えば、転写面を再生することができる。
（実施例２）
続いて、実施例２について説明する。実施例２は実施例１と非晶質膜の構成が相違し、具体的には実施例１に用いた非晶質膜にＣｕをドーピングしている。その他は、実施例１と同じであるので説明を省略する。
【００４５】
Ａ．成膜
以下のように、金型の成膜面にスパッタリングによる成膜を行い、厚さ約５．０μｍの非晶質カーボンからなる非晶質薄膜を形成した。
【００４６】
(1)ターゲット
純度９９．９９パーセントのタングステンターゲットおよび、純度９９．９９パーセントのカーボンターゲットを用いた。形状は、直径１５２．４ｍｍ、厚さ６ｍｍの円盤形である。そして、カーボンターゲット表面にスパッター率を考慮して、所定の面積の純銅シート（厚さ：２０〜５０μｍ）を所定位置（均一スパッター領域内）に円周状に３か所、カーボンテープで固定した。
【００４７】
(2)成膜ガス雰囲気
アルゴンガスとメタンガスとの混合ガスを用い、両方の比率を制御してスパッタリングを行った。すなわち、ガス雰囲気は、高真空排気（ベース圧：５×１０−４Ｐａ）後、アルゴンガスとメタンガス（１０〜１５％）との混合ガスの全圧を０．２〜０．８Ｐａとして成膜した。なお、混合ガスの全流量は、タングステン中間層では２３６．５ｓｃｃｍ一定、非晶質薄膜層では２４．５ｓｃｃｍ一定とした。
【００４８】
(3)成膜条件
出力１．５ｋＷとした。
【００４９】
Ｂ．評価
以下では、実施例２とともに、ドーピングを行っていない実施例１を合わせて評価した。
・ラマン分光スペクトルによる調査（耐熱性の評価）
実施例１，２それぞれに電子線照射を１時間行った後、４００℃、４５０℃でそれぞれ１時間ヒートサイクルを行った。その後、ラマン分光光度計によりスペクトル分析を行った。結果は図６に示すとおりである。
【００５０】
図７（ａ）は、実施例１を示すが、加熱をしていないものはいわゆるＤピークがないのに比べ、４００℃での加熱でＤピークが1356.5cm-1となり、４５０℃の加熱で1372.1cm-1となっている。また、いわゆるＧピークについては、加熱をしていないものは1527.4cm-1であるのに比べ、４００℃での加熱でＤピークが1559.2cm-1となり、４５０℃の加熱で1567.1cm-1となっている。したがって、Ｇピーク、Ｄピークがともに高周波側へシフトしており、加熱によって非晶質薄膜がグラファイトしていることが分かる。
【００５１】
一方、図７（ｂ）は、実施例２を示しており、加熱をしていないものはＤピークがないのに比べ、４００℃での加熱でＤピークが1369.9cm-1となり、４５０℃の加熱で1376.2cm-1となっている。また、Ｇピークについては、加熱をしていないものは1542.2cm-1であるのに比べ、４００℃での加熱でＤピークが1552.6cm-1となり、４５０℃の加熱で1557.4cm-1となっている。したがって、実施例１と比べ、Ｇピーク、Ｄピークの高周波側へのシフト量が低減しており、加熱による非晶質薄膜のグラファイト化を防止できており、耐熱性が向上していることが分かる。
【００５２】
また、図８は、６００℃のヒートサイクル試験の結果である。同図によれば、ドーピングの有無が顕著に表れており、ドーピングを行っていない非晶質薄膜において、Ｇピーク、Ｄピークの高周波側へのシフトが顕著に表れている。このような、グラファイト化した非晶質薄膜は、硬度が大きく低下し、ガラス融着の原因となる。
【符号の説明】
【００５３】
１  金型
１１  成膜面
２  非晶質薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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