(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の一部に光学素子を成型するための転写面を有する成型用型であって、該母材上に転写材を形成した後、転写面に対応する逆形状の形状に切削加工された複数個の母型を所望の形状が得られる様に組み合わせた母型を用いて、転写材の表面への転写を行う転写工程と、該転写材を硬化する工程と、該転写材及び母材に対してドライエッチングを行い、転写形状を上記母材に彫り写すエッチング工程と、エッチングされた前記母材表面に、中間層、表面層を形成する工程と、を有する光学素子成型用型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズやプリズム等のガラスよりなる光学素子を、ガラス素材のプレス成形により高精度に製造するのに使用される光学素子成型用型の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
研磨工程を必要とせず、ガラス素材のプレス成型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、近年レンズのみならずプリズムその他のガラスよりなる光学素子の製造に使用されるようになった。
【０００３】
このようなガラスの光学素子のプレス成型に使用される型材に要求される性質としては、硬度、耐酸化性、耐熱性、離型性及び鏡面加工性等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、セラミックス及びそれらをコーテイングした材料等、数多く提案がなされている。いくつかの例を挙げるなら、特開昭４９−５１１１２号公報には１３Ｃｒマルテンサイト鋼が、特開昭５２−４５６１３号公報にはＳｉＣ及びＳｉ3Ｎ4が、特開昭５９−１２１１２６号公報にはＴｉＣ及び金属の混合材料が、特開昭６０−２４６２３０号公報には超硬合金に貴金属をコーティングした材料が、また特開昭６１−１８３１３４号公報、特開昭６１−２８１０３０号公報及び特開平１−３０１８６４号公報にはダイヤモンド薄膜もしくはダイヤモンド状炭素膜、特開昭６４−８３５２９号公報には硬質炭素膜をコーティングした材料が開示されている。
【０００４】
しかしながら、従来の型材料では、硬度、耐酸化性、耐熱性、離型性及び鏡面加工性を全て満足するものは得られていない。
【０００５】
例えば、１３マルテンサイト鋼は酸化し易く、更に高温でＦｅがガラス中に拡散してガラスを着色する欠点を持つ。
【０００６】
また、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＣ、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンド状炭素膜及び硬質炭素膜は、材料の硬度が非常に硬く機械的強度は優れているものの、加工性に劣り、高精度な型形状に加工することが困難である。更には、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4及びＴｉＣでは、高温で酸化が起こりガラスの融着が生じる。
【０００７】
また、超硬合金母材上に貴金属薄膜、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンド状炭素膜又は硬質炭素膜をコーティングした型では、超硬合金を加工する手段として、ダイヤモンド砥石を用いて加工することが一般的であるが、曲率の小さい球面や自由曲面等には加工できないという欠点を有している。ここでいう自由曲面とは、非軸対称な非球面を含む面である。
【０００８】
これらの改善策として、超硬合金母材上に、容易に精密加工できる切削加工層として、特開平３−２３２３０号公報では無電解Ｎｉ−Ｐメッキ膜、特開平７−４１３２６号公報ではＰを含む３元合金（Ｐ−Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｈ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ）をスパッタ成膜し、この切削加工層に対して必要なダイヤモンドバイトにより切削加工を施して転写面を形成し、この加工層上に貴金属系の合金薄膜をスパッタ成膜する方法が開示されている。
【０００９】
しかし、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ膜や３元合金のスパッタ膜は、充分な密着性を有しておらず、成型条件やガラスの硝種、特に高融点ガラスでは、繰り返しプレス成型時に切削加工層に亀裂が生じたり、母材と切削加工層が剥離するという欠点を有している。
【００１０】
また、回折格子等の微細形状を転写する型として、特開平６−２７９０３６号公報では、切削加工層のかわりに加工層としてＳｉ又はＳｉＯ2をフォトリソ及びドライエッチングで所望の形状に加工したり、特開平１０−３３７７３４号公報では、レジストを用いてフォトリソ及びドライエッチングで母材を所望の形状に加工することが開示されているが、硝種、形状が限定されるという欠点を有している。
【００１１】
また、回折格子等の微細形状を直接加工する光学素子として、特開平８−４３６０５号公報では、レプリカ及びドライエッチングで所望の形状に加工したり、特開平９−２４３８１２号公報では、レジストを切削加工後、ドライエッチングで所望の形状に加工することが開示されているが、形状が限定されたり、生産性が低いという欠点を有している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、このような従来の課題を解消し、従来の研削加工では実現できなかった多面体自由曲面の形状を持った光学素子を、成型条件やガラスの硝種に拘わらず、繰り返しプレス成形を行っても、精密に形状が転写する光学素子成形用型の製造方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の別の目的は、光学素子を量産する場合、同一形状の型が多数必要となり、特に、多面体成型の場合、複数の型を組み合わせた分割型の場合、型間のばらつきが生じたり、型組み合わせに莫大な調整時間を要していたので、このような場合に対して、同一形状の一体型を、速やかかつ安価に製造できる光学素子成型用型の製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に従って、母材の一部に光学素子を成型するための転写面を有する成型用型であって、前記母材上に転写材を形成した後、転写面に対応する逆形状の形状に切削加工された複数個の母型を所望の形状が得られる様に組み合わせた母型を用いて、転写材の表面への転写を行う転写工程と、上記転写材を硬化する工程と、上記転写材及び母材に対してドライエッチングを行い、転写形状を上記母材に彫り写すエッチング工程と、エッチングされた前記母材表面に、中間層、表面層を形成する工程と、を有する光学素子成型用型の製造方法が提供される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明では、母材の一部に光学素子を成型するための転写面を有する成型用型であって、前記母材上に転写材を形成した後、転写面に対応する逆形状の形状に切削加工された母型を用いて、転写材の表面への転写を行う転写工程と、上記転写材を硬化する工程と、上記転写材及び母材に対してドライエッチングを行い、転写形状を上記母材に彫り写すエッチング工程と、エッチングされた前記母材表面に、中間層、表面層を形成する工程と、を有する。
【００１８】
更に、転写面に対応する逆形状の形状に切削加工された母型が、エッチングによる面変化を予め補正した形状に切削加工されたことが、所望の形状の型を得るために好ましい。また、要求される光学素子の性能により、エッチング工程後、母材表面が均等研磨転加工する工程を有する。
【００１９】
そして、転写面に対応する逆形状の形状に切削加工された母型が、ダイヤモンドバイトで容易に加工できる例えば、銅、アルミニウム及びリン青銅等の金属であることが、ダイヤモンドバイト摩耗性の面で好ましい。また、母型は、硬化前の樹脂等の転写材を成型するだけのため、超硬金属の様な硬度及び耐熱性が必要ではなく、切削性のみを考慮すればよい。
【００２０】
母材としては、高温硬度の面でタングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする超硬合金、転写材とのエッチング速度を調整し易い石英が好ましい。転写材としては、転写性と母材とエッチング速度の等しくなる光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂が好ましい。中間層としては、表面層との密着性の面で金属の炭化物、窒化物及び炭窒化物が好ましい。表面層としては、ガラスとの離型性の面で硬質炭素膜及び貴金属系合金膜が好ましい。
【００２１】
また、母材上に、転写材とエッチング速度が等しくなるような、例えば、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ及びＴａのような金属、該金属の酸化物からなるエッチング調整層を形成した後、転写材を形成することが母材表面の鏡面性の面で好ましい。
【００２２】
また、必要に応じて、転写工程の後、転写材表面を軟化させ、母型の切削の送り跡が転写された面を平滑化することもできる。
【００２３】
また、母材を放電加工や研削加工等で近似形状までを行った後、転写材を形成することが転写性の精度を向上するうえで好ましい。
【００２４】
また、母型が自由曲面形状の場合、母型を切削加工後、均等研磨することが好ましい。
【００２５】
また、多面体成型を行う型が、隣接する面自体が干渉して、一体型が切削できないような形状でも、一面ずつ切削及び均等研磨した母型を組み合わせることにより、所望の形状が得られる再現性のよい多面体母光学素子成型用型が得られる。
【００２６】
図１を参照して、本発明の作用を説明する。
【００２７】
（ａ１）の１は、自由曲面の転写面を３面持つ、近似形状に加工した光学素子成型用型母材である。母材材料としては、高温硬度の面でタングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする超硬合金、転写面の鏡面性の面で転写材とのエッチング速度を調整し易い石英が適用される。近似形状への加工は、放電加工が用いられる。更に、高温硬度と鏡面性の両面で、近似形状に加工した母材上に、転写材とエッチング速度が等しくなるような、例えば、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ及びＴａのような金属、該金属の酸化物からなるエッチング調整層を、スパッタ又はＣＶＤ等の公知な成膜法で形成することができる。
【００２８】
（ａ２）の２１、２２及び２３は、それぞれ、個別に自由曲面形状転写面に対応する逆形状の形状に切削加工された母型である。母型は、ダイヤモンドバイトで容易に加工できる例えば、銅、アルミニウム又はリン青銅等の金属であることが、ダイヤモンドバイト摩耗性の面で好ましい。これは、高温で型転写する必要がないので、切削加工が困難な超硬合金等を使用する必要がないためである。また、切削による送り痕は、要求される光学性能上必要であれば、均等研磨で送り痕を除去する必要がある。転写面の逆形状としては、エッチングによる面変化を予め補正した形状に切削加工されたことが、エッチング条件の調整が容易になる。また、本発明においては、転写面形状は自由曲面に限定されるもでなく、球面、非球面及び回折格子等の組み合わせにも適用される。また、母型表面の離型性を向上するため、母型２１、２２及び２３の表面を公知な方法で、金属薄膜等の離型膜を形成したり、離型処理を施したりすることができる。
【００２９】
（ｂ）、（ｃ）は、転写工程である。母材１の上に軟質状態である転写材３を形成し、２１、２２及び２３を一体化した母型を、転写材に押し付け、転写材を硬化し、母型を分離する。転写材として、光硬化性樹脂である紫外線硬化樹脂を用いる場合には、紫外光を照射し硬化させる。転写材として、熱硬化性材料を用いる場合には、加熱により硬化させ、熱可塑性材料を用いる場合には、加熱により転写材を軟化させつつ、母型２１、２２及び２３を押し付ける表面形状を転写する。
【００３０】
そこで、この状態から、異方性のドライエッチングを、転写材３と母材１とに行い、転写材３の表面の３面の自由曲面形状を、母材１に彫り写すエッチング工程を実施すると、（ｄ）に示すように、所望の３面の自由曲面形状を有する光学素子成型型が得られる。
【００３１】
一般的に、物理エッチングは化学エッチングに比べて制御が容易であり、しかも、同一の出発形状に対し、エッチング速度比の制御を同一にすれば、常に同一の所望形状が得られ、再現性に優れている。従って、エッチング工程は、ＥＣＲ、ＲＩＥ及び低圧高密度プラズマ等の公知な物理エッチングが好ましい。エッチング工程における異方性エッチングは、転写材と母材のエッチングの速度比を等しくすれば、転写材の表面に形成された形状を、そのまま合同的に母型に彫り写すことができる。転写材と母材のエッチングの速度比を等しくする手段として、転写材の硬化条件を制御したり、希ガス（Ａｒ等）、フッ化炭素系ガス（ＣＦ4等）、塩素系ガス（Ｃｌ2等）又は酸素ガス（Ｏ2）等のエッチングガスの組み合わせ、流量等を最適化することで達成される。また、要求される光学素子の性能により、エッチング工程後、母材表面を、均等研磨転加工により微小な凹凸を取り除くことで、特に型母材が超硬合金の場合は鏡面性を増すことができる。
【００３２】
以上の工程で、型母材１が所望の形状が得られれば、ガラスモールドの成型性を増すために、型母材上に、中間層としては、表面層との密着性の面で金属の炭化物、窒化物又は炭窒化物を形成し、更に、中間層上に表面層としては、ガラスとの離型性の面で、硬質炭素膜又は貴金属系合金膜を形成することで光学素子成型用型が作製できる。
【００３３】
以上の様に、本発明の光学素子成型用型の製造方法によれば、従来の研削加工では実現できなかった多面体自由曲面の形状を持った光学素子を、成型条件やガラスの硝種に拘わらず、繰り返しプレス成型を行っても、精密に形状が転写する型を提供することが可能となった。また、前述した工程を繰り返せば、同一形状の一体型を、速やかかつ安価に提供することが可能になり、分割型の場合の型間のばらつきが無くなり、型組み合わせに莫大な調整時間が不用となる。
【００３４】
【実施例】
以下に、具体的な実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。
【００３５】
（実施例１）
図１の（ａ１）の１は、自由曲面の転写面を３面持つ、放電加工で近似形状に加工したタングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする超硬合金製の光学素子成型用型母材である。図１の（ａ２）の２１、２２及び２３は、それぞれ、個別に自由曲面形状転写面に対応する様に、エッチングによる面変化を予め補正した形状にダイヤモンドバイトに切削加工及び均等研磨された無酸素銅製母型である。
【００３６】
図１の（ｂ）、（ｃ）は、転写工程である。母材１の上に軟質状態である熱硬化性樹脂製の転写材３を形成し、２１、２２及び２３を一体化した母型を、転写材に押し付け、転写材を加熱硬化し、母型を分離する。
【００３７】
次に、この状態から、異方性のドライエッチングを、転写材３と母材１とに行い、転写材３の表面の３面の自由曲面形状を、母材１に彫り写すエッチング工程を実施し、（ｄ）に示すように、所望の３面の自由曲面形状を有する光学素子成型型が得られた。このドライエッチングはリアクティブエッチング装置を用い、エッチングガスとして、ＡｒガスとＣＦ4ガスを用いた。ガス流量比はＡｒ／ＣＦ4＝３／１、圧力０．５Ｐａとした。
【００３８】
次に、エッチングされた面を均等研磨加工を行う。
【００３９】
本発明の光学素子成型用型の模式的断面図を図２に示す。
【００４０】
成型型母材４１の均等研磨加工された面に、Ｔｉターゲットを用い、導入ガスとして窒素ガスを用いて反応性スパッタでＴｉＮの中間層４２を膜厚１μｍで形成する。
【００４１】
次に、この中間層４２上に、イオンビーム蒸着法により硬質炭素膜の表面層４３を１００ｎｍ形成する。
【００４２】
以上述べた工程と同様の工程を繰り返して、同形状の型を３型製作する。また、反対面の型を同様の工程を繰り返して、同形状の型を４型製作する。
【００４３】
これらの型を４組用いて連続成型機を用いて多面体自由曲面プリズムのガラス成型（ホウ珪酸系ガラス）を行った所、どの型も３０００ショット成型後も良好な成型品が得られ、また転写面の劣化も観察されなかった。また、成型品の型間の形状バラツキも生じなかった。
【００４４】
（実施例２）
実施例１において、光学素子成型用型母材１を石英とし、転写材３を紫外線硬化樹脂とし、この転写材の硬化方法を、石英母材に紫外線を透過させて硬化、転写工程を行う以外は、実施例１と同様にして光学素子成型用型を製造した。
【００４５】
これらの型を４組用いて連続成型機を用いて多面体自由曲面プリズムのガラス成型（ホウ珪酸系ガラス）を行った所、どの型も３０００ショット成型後も良好な成型品が得られ、また転写面の劣化も観察されなかった。また、成型品の型間の形状バラツキも生じなかった。
【００４６】
（実施例３）
実施例１において、転写材３を熱可塑性樹脂とし、この転写材の硬化方法を、固体状態である転写材に母型を押圧しつつ転写材を加熱し、軟化状態で形状を転写し、その後、加熱状態を停止して変形状態を固定する以外は、実施例１と同様にして光学素子成型用型を製造した。
【００４７】
これらの型を４組用いて連続成型機を用いて多面体自由曲面プリズムのガラス成型（ホウ珪酸系ガラス）を行った所、どの型も３０００ショット成型後も良好な成型品が得られ、また転写面の劣化も観察されなかった。また、成型品の型間の形状バラツキも生じなかった。
【００４８】
（実施例４）
実施例１において、中間層４２のＴｉＮ膜を形成する代わりに表１に示した、チタン、タンタル、クロム又はシリコンの炭化物、窒化物又は炭窒化物を形成する以外は、実施例２と同様にして光学素子成型用型を製造した。この型のガラス成型性を測定したとろ、実施例１と同等であった。
【００４９】
【表１】
0003667198.tif 000002
【００５０】
（実施例５）
実施例１において、表面層４３の硬質炭素膜を形成する代わりに表２に示した、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｗ及びＴａの組み合わせの２元以上の合金を０．５μｍの膜厚で形成する以外は、実施例１と同様にして光学素子成型用型を製造した。この型のガラス成型性を測定したとろ、実施例１と同等であった。
【００５１】
【表２】
0003667198.tif 000003
【００５２】
本発明の実施例では、中間層、表面層において、各々成分を変えたが、これらの組み合わせでも、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５３】
（実施例６）
実施例１において、中間層４２を形成する際、金属Ｔｉを電子銃で加熱蒸発させ、窒素プラズマ中でイオンプレーティングすることによりＴｉＮを形成する以外は、実施例１と同様にして光学素子成型用型を製造した。
【００５４】
この型を連続成型機を用いてガラス成型（ホウ珪酸系ガラス）を行った所、３０００ショット成型後も良好な成型品が得られ、また転写面の劣化も観察されなかった。
【００５５】
（実施例７）
実施例１において、母材１上に、エッチング調整層としてＳｉＯ2をスパッタで１μｍの膜厚で形成する以外は、実施例１と同様にして光学素子成型用型を製造した。
【００５６】
この型を連続成型機を用いてガラス成型（ホウ珪酸系ガラス）を行った所、３０００ショット成型後も良好な成型品が得られ、また転写面の劣化も観察されなかった。
【００５７】
（実施例８）
実施例７において、エッチング調整層として、ＳｉＯ2の代わりに表３に示した材質とそれに対応するエッチングガスを用いて光学素子成型用型を製造したが、ＳｉＯ2と同様の効果が得られた。
【００５８】
【表３】
0003667198.tif 000004
【００５９】
（実施例９）
実施例１において、母型２１、２２及び２３の材質をアルミニウム、及びリン青銅にする以外は、実施例１と同様にして光学素子成型用型を製造した。
【００６０】
これらの型を４組用いて連続成型機を用いて多面体自由曲面プリズムのガラス成型（ホウ珪酸系ガラス）を行った所、どの型も３０００ショット成型後も良好な成型品が得られ、また転写面の劣化も観察されなかった。また、成型品の型間の形状バラツキも生じなかった。
【００６１】
【発明の効果】
以上の様に、本発明の光学素子成型用型の製造方法によれば、従来の研削加工では実現できなかった多面体自由曲面の形状を持った光学素子を、成型条件やガラスの硝種に拘わらず、繰り返しプレス成型を行っても、精密に形状が転写する光学素子成型用型を提供することが可能となった。また、前述した工程を繰り返せば、同一形状の一体型を、速やかかつ安価に製造できる光学素子成型用型の製造方法を提供することが可能になり、分割型の場合の型間のばらつき、型組み合わせに莫大な調整時間が不用となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学素子成型用型の模式工程加工図である。
【図２】本発明の光学素子成型用型の模式的断面図である。
【符号の説明】
１，４１  成型型母材
２１，２２，２３  母型
３  転写材
４２  中間層
４３  表面層
【図１】
0003667198.tif 000005
【図２】
0003667198.tif 000006