(57)【要約】【課題】大口径の非球面ガラスレンズを成形しても、耐久性が高く、かつ、外観の優れる大口径の非球面ガラスレンズを成形することが可能なガラスモールド用金型を提供する。【解決手段】金型１０は、母材１１上に、第１層１２、第２層１３及び第３層１４が順次積層されている。母材１１は、超硬合金を含む。第１層１２は、炭化タングステン、炭化チタン及び炭化タンタルからなる群より選択される一種以上を含む。第２層１３は、炭化珪素を含む。第３層１４は、ダイヤモンドライクカーボンを含む。【選択図】図１
2018154515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材上に、第１層、第２層及び第３層が順次積層されており、
前記母材は、超硬合金を含み、
前記第１層は、炭化タングステン、炭化チタン及び炭化タンタルからなる群より選択される一種以上を含み、
前記第２層は、炭化珪素を含み、
前記第３層は、ダイヤモンドライクカーボンを含むことを特徴とするガラスモールド用金型。
【請求項２】
前記第１層は、炭化タングステンを含むスパッタ膜であることを特徴とする請求項１に記載のガラスモールド用金型。
【請求項３】
前記第１層は、厚さが１〜５０ｎｍであり、
前記第２層は、厚さが１〜１００ｎｍであり、
前記第３層は、厚さが１０〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のガラスモールド用金型。
【請求項４】
前記第３層は、ケイ素をさらに含み、ケイ素の含有量が０．１〜１０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガラスモールド用金型。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガラスモールド用金型を製造する方法であって、
スパッタ法を用いて、前記第１層を成膜する工程と、
プラズマＣＶＤ法を用いて、前記第２層を成膜する工程と、
プラズマＣＶＤ法を用いて、前記第３層を成膜する工程を含むことを特徴とするガラスモールド用金型の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガラスモールド用金型を用いることを特徴とする非球面ガラスレンズの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスモールド用金型、ガラスモールド用金型の製造方法及び非球面ガラスレンズの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カメラレンズの撮像素子の大型化や画質性能の高度化に伴って、ガラスモールドの分野でも、直径５０ｍｍ以上の大口径の非球面ガラスレンズのニーズが高まっている。
【０００３】
ガラスモールドは、ガラス材料を概ね５００℃以上に加熱して軟化させた後、プレス成形することにより、金型の形状を転写する方法である。
【０００４】
非球面ガラスレンズは、通常の球面ガラスレンズのように、研磨加工することが困難である。このため、カメラレンズ、プロジェクターレンズをはじめとした光学分野において、非球面ガラスレンズの量産技術として、ガラスモールドが広く普及している。
【０００５】
ここで、プレスする際に、金型の表面に離型膜が形成されていないと、金型を構成する超硬合金とガラス材料が化学反応してしまい、融着などのトラブルを引き起こす。その結果、非球面ガラスレンズの外観が低下する。このため、一般に、金型の表面に離型膜が形成されている。
【０００６】
離型膜を構成する材料としては、貴金属やＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）が知られている。
【０００７】
ＤＬＣは、ガラス材料に対する非凝着性に優れるため、貴金属に比べて、成形後の非球面ガラスレンズの外観がクリアになる。
【０００８】
しかしながら、ＤＬＣは、一般的に、金型を構成する超硬合金と密着しにくいため、離型膜を構成する材料として、ＤＬＣを用いると、離型膜が容易に剥離してしまう。特に、大口径の非球面ガラスレンズのガラスモールドでは、プレス時の負荷（荷重）が１ｔ〜３ｔ程度の高負荷環境となるため、離型膜が剥離しやすく、金型の耐久性が十分に確保できなくなってしまう。
【０００９】
そこで、金型の耐久性を向上させる従来技術として、母材の一部に成型面を有する成形金型がある。例えば、特許文献１では、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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来技術では、大口径の非球面ガラスレンズを成形すると、非球面ガラスレンズの外観がしばしば不十分になるという問題があることが実験的に判明した。具体的には、ガラスモールド時に離型膜の剥離により微小な異物が多発して非球面ガラスレンズの外観が劣化してしまう問題や、ガラスモールド時に、金属チタンからなる層や窒化チタンアルミニウムからなる層から、Ｔｉが熱拡散することにより、非球面ガラスレンズが極薄く呈色してしまう不具合が生じてしまうことがある。
【００１１】
本発明は、大口径の非球面ガラスレンズを成形しても、耐久性が高く、かつ、外観の優れる大口径の非球面ガラスレンズを成形することが可能なガラスモールド用金型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】
【００１２】
本発明の一態様は、ガラスモールド用金型において、母材上に、第１層、第２層及び第３層が順次積層されており、前記母材は、超硬合金を含み、前記第１層は、炭化タングステン、炭化チタン及び炭化タンタルからなる群より選択される一種以上を含み、前記第２層は、炭化珪素を含み、前記第３層は、ダイヤモンドライクカーボンを含む。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、大口径の非球面ガラスレンズを成形しても、耐久性が高く、かつ、外観の優れる大口径の非球面ガラスレンズを成形することが可能なガラスモールド用金型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態のガラスモールド用金型の一例を示す断面図である。
【図２】本実施形態のガラスモールド用金型の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】図１の金型を用いて、非球面ガラスレンズを製造する方法を説明する断面図である。
【図４】スクラッチ試験後の評価用サンプルの写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明を実施するための形態を図面と共に説明する。
【００１６】
（ガラスモールド用金型）
図１に、本実施形態のガラスモールド用金型の一例を示す。また、図２に、本実施形態のガラスモールド用金型の製造方法の一例を示す。
【００１７】
金型１０は、ガラス材料（例えば、低融点ガラス）を非球面ガラスレンズに成形する成型面Ｍを有し、母材１１上に、第１層１２、第２層１３及び第３層１４が順次積層されている。
【００１８】
母材１１は、超硬合金（ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ系合金）で構成され、ＷＣを主成分とする。母材１１を構成する超硬合金は、概ね１４００℃の高温で焼結して製造されるため、超硬合金の成分の炭化が飽和し、その結合は安定していると推定される。すなわち、母材１１を構成する超硬合金は、ラジカル結合活性を有する未結合手が極めて少ない合金となっている。
【００１９】
超硬合金の市販品としては、ＲＣＣＦＮ（日本タングステン社製）、Ｊ０５（日本ダイス社製）等が挙げられる。
【００２０】
母材１１は、超硬合金を研削および研磨することにより、作製することができる（Ｓ１）。
【００２１】
第１層１２は、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）及び炭化タンタル（ＴａＣ）からなる群より選択される一種以上で構成され、スパッタ法により成膜することができる（Ｓ２）。これらの中でも、第１層１２は、ＷＣを含むスパッタ膜であることが好ましい。例えば、ＷＣを含むスパッタ膜を成膜する場合は、ＷＣ固体ターゲットをＷＣ源として使用する。
【００２２】
このとき、ＷＣを含むスパッタ膜は、母材１１を構成する超硬合金の成分を含み、かつ、ＷＣは、組成式ＷＣ１−ｘ（ｘ＝０〜０．５）で表される化合物であると推定され、成膜時にラジカル結合活性を有すると考えられる。このため、ＷＣを含むスパッタ膜により、母材１１及び第２層１３との密着性が向上すると推定される。
【００２３】
第１層１２の厚さは、１〜５０ｎｍであることが好ましく、２〜２０ｎｍであることがより好ましい。第１層１２の厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることにより、金型１０の耐久性が向上する。
【００２４】
第１層１２の成膜に用いられるスパッタ装置としては、特に限定されないが、マグネトロンスパッタ装置等が挙げられる。
【００２５】
マグネトロンスパッタ装置の市販品としては、高周波スパッタリング装置ＶＴＲ−１５０Ｍ（アルバック社製）等が挙げられる。
【００２６】
第２層１３は、炭化珪素（ＳｉＣ）から構成される。
【００２７】
第２層１３の厚さは、１〜１００ｎｍであることが好ましく、５〜３０ｎｍであることがより好ましい。第２層１３の厚さが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることにより、金型１０の耐久性が向上する。
【００２８】
第２層１３は、プラズマＣＶＤ法により、成膜することができる（Ｓ３）。このとき、ＳｉＣは、組成式ＳｉＣ１−ｘ（ｘ＝０〜０．５）で表される化合物であると推定され、成膜時にはラジカル結合活性を有すると考えられる。このため、第２層１３は、第１層１２及び第３層１４との密着性が向上すると推定される。
【００２９】
ＳｉＣ源（原料ガス）としては、特に限定されないが、テトラメチルシラン、シロキサン等のＳｉを含有する炭化水素ガス等が挙げられる。
【００３０】
第２層１３の成膜に用いられるプラズマＣＶＤ装置の市販品としては、プラズマＣＶＤ装置ＣＣ−４００（アルバック社製）、ＣＶＤ装置ＰＤ−２２０Ｎ（サムコ社製）等が挙げられる。
【００３１】
なお、第２層１３は、スパッタ法等により、成膜してもよい。この場合、ＳｉＣ固体ターゲットを用いて、マクネトロンスパッタ法などにより成膜する。
【００３２】
第３層１４は、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）から構成される。
【００３３】
ＤＬＣは、ｓｐ２（グラファイト質結合）と、主成分のｓｐ３（ダイヤモンド質結合）が混在したアモルファス構造を有する。このため、第２層１３を構成するＳｉＣと、第３層１４を構成するＤＬＣは、ファンデルワールス力の他に、共有結合の要因で付着している。ＳｉＣのＳｉは、共有結合の結合手を４個有し、ＤＬＣの主成分のｓｐ３も結合手を４個有し、両者の結合形態が類似している。このため、第３層１４は、第２層１３との密着性が良いと推察される。
【００３４】
第３層１４は、ＤＬＣ中にケイ素（Ｓｉ）が添加されていることが好ましい。これにより、第２層１３と第３層１４の密着性がさらに向上する。さらに、第３層１４の耐熱性が向上するため、金型１０の耐久性がさらに向上する。
【００３５】
第３層１４中のＳｉの含有量は、０．１〜１０ｍｏｌ％であることが好ましく、２〜８ｍｏｌ％であることがより好ましい。第３層１４中のＳｉの含有量が０．１ｍｏｌ％以上であることにより、金型１０の耐久性がさらに向上し、１０ｍｏｌ％以下であることにより、金型１０の低融点ガラスに対する離型性が向上する。
【００３６】
第３層１４の厚さは、１０〜５００ｎｍであることが好ましく、５０〜２５０ｎｍであることがより好ましい。
【００３７】
第３層１４は、プラズマＣＶＤ法により、成膜することができる（Ｓ４）。
【００３８】
ＤＬＣの炭素源（原料ガス）としては、特に限定されないが、アセチレン、トルエン、ベンゼン、メタン、エチレン等の炭化水素ガスが挙げられる。
【００３９】
Ｓｉ源（原料ガス）としては、特に限定されないが、テトラメチルシラン、シロキサン等のＳｉを含有する炭化水素ガス等が挙げられる。
【００４０】
なお、Ｓｉを含有する炭化水素ガスを用いる場合、炭化水素ガスと混合して、原料ガスとして用いる。
【００４１】
第３層１４の成膜に用いられるプラズマＣＶＤ装置の市販品としては、ＤＬＣ成膜装置ＮＡＮＯＣＯＡＴ−５００（ナノテック社製）等が挙げられる。
【００４２】
なお、同一のチャンバー内に、スパッタ機構とプラズマＣＶＤ機構を併設して、第１層１２、第２層１３及び第３層１４を順次成膜してもよい。これにより、非球面ガラスレンズの生産性を改善することができる。
【００４３】
また、第３層１４は、イオンビーム蒸着法等により、成膜してもよい。
【００４４】
金型１０は、大口径の非球面ガラスレンズを製造しても、耐久性に優れるため、大口径の非球面ガラスレンズの生産性を向上させることができる。
【００４５】
（非球面ガラスレンズの製造方法）
次に、図３を用いて、非球面ガラスレンズを製造する方法を説明する。
【００４６】
例えば、２個の金型１０の間で、低融点ガラスＧを加熱して軟化させた後、プレス成形することにより、金型１０の形状が転写され、非球面ガラスレンズを製造することができる。
【００４７】
低融点ガラスＧの市販品としては、ガラスモールド用低Ｔｇ光学ガラスＬ−ＢＡＬ４３（オハラ社製）、ガラスモールドレンズ用硝種Ｍ−ＢＡＣＤ１２（ＨＯＹＡ社製）等が挙げられる。
【００４８】
なお、ガラス転移点を有するガラス材料であれば、低融点ガラス以外の材料を用いてもよい。
【００４９】
プレス成形機の市販品としては、レンズ成形機（ＳＹＳ社製）、高精度光学ガラス素子成形装置ＧＭＰ−３１１Ｖ（東芝機械社製）等が挙げられる。
【００５０】
金型１０を用いて、大口径の非球面ガラスレンズを成形すると、外観がクリアな非球面ガラスレンズが得られやすい。これにより、大口径の非球面ガラスレンズの外観の歩止まり（良品率）が向上する。さらに、成形後の大口径の非球面ガラスレンズにクモリ等が発生して外観が劣化してしまった場合に必要な、外観をクリアにするために磨く工程を省略することができ、生産性が向上する。
【００５１】
非球面ガラスレンズは、カメラレンズ、プロジェクターレンズ等の光学レンズに適用することができる。
【００５２】
なお、本実施形態のガラスモールド用金型を用いると、非球面ガラスレンズ以外に、fθレンズ・セパレーターレンズ・マイクロレンズ等の球面研磨では加工が難しいガラス材料光学素子全般も成形することができる。
【実施例】
【００５３】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００５４】
（実施例１）
金型（図１参照）を作製した。以下に、製造工程を記載する。
【００５５】
超硬合金ＲＣＣＦＮ（日本タングステン社製）を研削および表面研磨し、母材１１を作製した。
【００５６】
高周波スパッタリング装置ＶＴＲ−１５０Ｍ（アルバック社製）の真空チャンバー内に、母材１１を載置した。次に、真空チャンバー内を真空ポンプにより、真空排気した後、母材１１を加熱した。さらに、真空チャンバー内にＡｒガスを導入した後、スパッタ機構によりイオン化させたＡｒイオンを、電界を印加して母材１１の表面に引き込むことにより、母材１１の表面をクリーニングした。次に、スパッタ機構により、第１層１２としての、膜厚７ｎｍのＷＣ膜を成膜した。このとき、ＷＣ源として、ＷＣ固体ターゲットを使用した。
【００５７】
ＣＶＤ装置ＰＤ−２２０Ｎ（サムコ社製）の真空チャンバー内に、第１層１２が成膜されている母材１１を載置した。次に、真空チャンバー内を真空ポンプにより、真空排気した後、第１層１２が成膜されている母材１１を加熱した。さらに、高周波電場により、原料ガス（テトラメチルシラン）をイオン化させたイオンを、第１層１２が成膜されている母材１１の表面に引き込み、第２層１３としての、膜厚２０ｎｍのＳｉＣ膜を成膜した。
【００５８】
なお、第２層１３を成膜する前の段階で、真空チャンバー内にＡｒガスを導入した後、高周波電場によりイオン化させたＡｒイオンを、母材１１の表面に引き込むことにより、母材１１の表面をクリーニングしてもよい。
【００５９】
ＤＬＣ成膜装置ＮＡＮＯＣＯＡＴ−５００（ナノテック社製）の真空チャンバー内に、第２層１３が成膜されている母材１１を載置した。次に、真空チャンバー内を真空ポンプにより、真空排気した後、第２層１３が成膜されている母材１１を加熱した。さらに、真空チャンバー内に原料ガス（Ａｒ）を導入した後、独立イオンガンによりイオン化させたＡｒイオンを、バイアス電圧を印加して、第２層１３が成膜されている母材１１の表面に引き込むことにより、第２層１３が成膜されている母材１１の表面をクリーニングした。次に、独立イオンガンにより、原料ガス（トルエン）をイオン化させたイオンを、バイアス電圧を印加して、第２層１３が成膜されている母材１１の表面に引き込み、第３層１４としての、膜厚１００ｎｍのＤＬＣ膜を成膜し、金型を作製した。
【００６０】
（実施例２）
第３層１４を成膜する際に、原料ガスのトルエンに、テトラメチルシランを混合した以外は、実施例１と同様にして、金型を作製した。このとき、Ｘ線光電子分光分析を用いて、第３層１４中のケイ素の含有量を測定したところ、７ｍｏｌ％であった。
【００６１】
（比較例１）
超硬合金ＲＣＣＦＮ（日本タングステン社製）を研削および研磨し、母材１１を作製した。
【００６２】
高周波スパッタリング装置ＶＴＲ−１５０Ｍ（アルバック社製）の真空チャンバー内に、母材１１を載置した。次に、真空チャンバー内を真空ポンプにより、真空排気した後、母材１１を加熱した。さらに、真空チャンバー内にＡｒガスを導入した後、スパッタ機構によりイオン化させたＡｒイオンを、電界を印加して母材１１の表面に引き込むことにより、母材１１の表面をクリーニングした。次に、スパッタ機構により、第２層１３としての、膜厚２０ｎｍのＳｉＣ膜を成膜した。このとき、ＳｉＣ源として、ＳｉＣ固体ターゲットを使用した。
【００６３】
ＤＬＣ成膜装置ＮＡＮＯＣＯＡＴ−５００（ナノテック社製）の真空チャンバー内に、第２層１３が成膜されている母材１１を載置した。次に、真空チャンバー内を真空ポンプにより、真空排気した後、第２層１３が成膜されている母材１１を加熱した。さらに、真空チャンバー内に原料ガス（Ａｒ）を導入した後、独立イオンガンによりイオン化させたＡｒイオンを、バイアス電圧を印加して、第２層１３が成膜されている母材１１の表面に引き込むことにより、第２層１３が成膜されている母材１１の表面をクリーニングした。次に、独立イオンガンにより、原料ガス（トルエン）をイオン化させたイオンを、バイアス電圧を印加して、第２層１３が成膜されている母材１１の表面に引き込み、第３層１４としての、膜厚１００ｎｍのＤＬＣ膜を成膜し、金型を作製した。
【００６４】
次に、金型を用いて、非球面ガラスレンズを製造し、金型の耐久性、非球面ガラスレンズの外観を評価した。
【００６５】
（非球面ガラスレンズの作製）
高精度光学ガラス素子成形装置ＧＭＰ−３１１Ｖ（東芝機械社製）を用いて、口径５０ｍｍの非球面ガラスレンズを作製した（図３参照）。具体的には、まず、金型上に、低融点ガラスＧとしての、ガラスモールド用低Ｔｇ光学ガラスＬ−ＢＡＬ４３（オハラ社製）を載置した。次に、真空チャンバー内を真空ポンプにより、真空排気した後、窒素ガスでパージした。さらに、加熱ヒータ機構により、低融点ガラスＧを約５７０℃まで加熱し、型締めした後、プレス成形し、非球面ガラスレンズを作製した。
【００６６】
（金型の耐久性）
金型の積層膜の劣化に由来する微融着が非球面ガラスレンズに発生する、即ち、不良品が発生するまでの良品の個数を求め、金型の耐久性を評価した。
【００６７】
（非球面ガラスレンズの外観）
非球面ガラスレンズの外観を目視で評価した。なお、外観がクリアである場合を○（良品）、クモリ、軽微な微融着などの軽微な外観不良が発生している場合を△（通常品）、微融着等の外観不良が発生している場合を×（不良品）として判定した。
【００６８】
次に、金型に対応する評価用サンプルにおける積層膜の付着強度を評価した。
【００６９】
（積層膜の付着強度）
母材１１の代わりに、超硬合金ＲＣＣＦＮ（日本タングステン社製）製の基板を用いた以外は、実施例１、２、比較例１と同様にして、基板上に、積層膜を形成し、評価用サンプルを作製した。
【００７０】
超薄膜スクラッチ試験機ＣＳＲ１０００（レスカ社製）を用いて、評価用サンプルにおける積層膜の付着強度を測定した。
【００７１】
図４に、スクラッチ試験後の評価用サンプルを示す。なお、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ実施例１、２、比較例１のスクラッチ試験後の評価用サンプルである。また、図中、矢印は、スクラッチの開始点である。
【００７２】
図４から、実施例１、２の評価用サンプルは、第２層１３が第１層１２と強く密着しているため、母材１１と第１層１２の界面付近で、膜が剥離していることがわかる。
【００７３】
これに対して、比較例１の評価用サンプルは、第２層１３が第１層１２と強く密着していないため、第２層１３と第１層１２の界面付近で、斜めに裂けるように膜が剥離している。
【００７４】
表１に、金型の耐久性、非球面ガラスレンズの外観、積層膜の密着性の評価結果を示す。
【００７５】
【表１】
2018154515.tif 000003
表１から、実施例１、２の金型は、口径５０ｍｍの非球面ガラスレンズを成形しても、金型の耐久性が高く、外観の優れる口径５０ｍｍの非球面ガラスレンズを成形できることがわかる。このため、実施例１、２の金型を用いると、十分な生産性を確保することができる。
【００７６】
これに対して、比較例１の金型は、母材１１と第２層１３の間に、炭化タングステン、炭化チタン及び炭化タンタルからなる群より選択される一種以上を含む第１層１２が形成されていないため、金型の耐久性が低下する。これは、母材１１は、焼結して製造されることから、ラジカル結合活性を有しておらず、母材１１と第２層１３との間に働く力の大部分が分子間力のみであるためと考えられる。このため、比較例１の金型を用いると、十分な生産性を確保できない。
【００７７】
実施例１、２の金型は、第１層１２が、母材１１を構成する超硬合金の成分を含むために、母材１１と第１層１２との密着性が向上する。また、実施例１、２の金型は、第１層１２を形成することにより、第２層１３との間に化学結合が生じやすくなるため、比較例１の金型に比べて、第１層１２と第２層１３との密着性が大幅に向上する。特に、第１層１２をスパッタ膜とすることで、第１層１２のラジカル結合活性を向上させて、第１層１２と第２層１３との密着性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１０    金型
１１    母材
１２    第１層
１３    第２層
１４    第３層
Ｍ    成型面
Ｇ    低融点ガラス
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７９】
【特許文献１】特開２０１１−９８８４５号公報
【図１】
2018154515.tif 000004
【図２】
2018154515.tif 000005
【図３】
2018154515.tif 000006
【図４】
2018154515.tif 000007