(57)【要約】【課題】繰り返し微細なガラス成形工程が可能であり、しかも一度に大面積にわたりガラス成形を施すことが可能なガラス成形型およびそれを用いたガラス成形方法をを提供する。【解決手段】室温から１００℃までの線膨張係数が１．３×１０−６／℃以上で１２．８×１０−６／℃以下のＮｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ基合金からなる基材と、表面に凹凸形状のパターンを有し、前記基材上に形成され、Ｗの含有量が４０質量％である、５μｍ以上の厚さＮｉ−Ｗ合金膜と、からなるガラス成形金型を用いて、真空容器内で転移点以上の温度でガラスをプレス成形する。【選択図】図１
2008266077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
室温から１００℃までの線膨張係数が１．３×１０−６／℃以上で１２．８×１０−６／℃以下のＮｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ基合金からなる基材と、表面に凹凸形状のパターンを有し、前記基材上に形成され、Ｗの含有量が４０質量％である、５μｍ以上の厚さのＮｉ−Ｗ合金膜と、からなることを特徴とするガラス成形用金型。
【請求項２】
請求項１に記載のガラス成形金型において、前記Ｎｉ−Ｗ合金膜の前記凹凸形状のパターンが、ＦＩＢまたはレーザにより加工・形成されたことを特徴とするガラス成形金型。
【請求項３】
請求項１に記載のガラス成形金型において、前記Ｎｉ−Ｗ合金膜の前記凹凸形状のパターンが、電鋳により形成されたことを特徴とするガラス成形金型。
【請求項４】
請求項１に記載のガラス成形金型において、前記Ｎｉ−Ｗ合金膜の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とするガラス成形金型。
【請求項５】
０．１Ｐａ以下の圧力に減圧した容器内において、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のガラス成形金型を用いて、ガラス転移点以上の温度でガラスをプレス成形することを特徴とするガラス成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細な加工を必要とするガラス部品を成形加工に用いるガラス成形金型およびその金型を用いたガラス成形部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロレンズ等のマイクロ光学部品やマイクロリアクタ等のマイクロ流体チップには、微細な加工を必要とするガラス成形部品が使用される。微細加工を必要とするガラス成形部品を製造するには、従来ドライエッチングによる加工やＳｉＣからなる治具またはガラス状カーボンからなるカーボン治具を成形型として用い、高温でガラスをプレス成形する製造方法が用いられている。
【０００３】
ドライエッチングによりガラス成形部品を加工する方法は、真空装置内で腐食性ガスを用いてガラス表面を食刻するものであるが、微細かつ高精度のガラス成形品を製造できる半面、加工に要する時間が極めて長いため、ガラス成形部品を大量生産するのが困難である。
【０００４】
ＳｉＣからなる治具を成形型として用いたプレス成形により、ガラス成形部品を加工する方法の場合、ガラスのＳｉＣへの融着を防ぐためにＳｉＣ表面に離型層を形成する必要がある。しかし、繰り返しプレス成形を行うと、この離型層が剥離して、ガラスがＳｉＣに融着して成形型が使えなくなる。したがって、ガラス成形型の耐久性に問題がある。
【０００５】
一方、ガラス状カーボンからなるカーボン治具を成形型として用いてガラスをプレス成形の場合、高温でもガラスとカーボン治具は反応しないが、カーボン治具の微細加工は困難であり、またカーボン治具は衝撃に弱く割れやすい。そのため、カーボン治具を用いて微細加工を施すガラス成形部品を大量生産することは困難である。
【０００６】
また、特許文献１ではＮｉ−Ｗ膜を、Ｓｉ等の接合層を介して母材に転写・接着し、さらに表面に貴金属等の合金からなる離型層を形成した微細加工用のガラス成形型を開示している。このガラス成形型の場合、微細加工を施すガラス成形が可能である。しかし、ガラス成形金型を作製する際、比較的小面積のＮｉ−Ｗ膜しか母材への転写・接着ができない。そのため、比較的大面積の微細加工を可能とするガラス成形型を作ることができない。
【特許文献１】特開平０７−０２５６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記した従来のガラス成形方法では、繰り返し微細なガラス成形工程が可能であり、しかも一度に大面積にわたりガラス成形を施すことが可能なガラス成形することができなかった。本発明では、この従来のガラス成形方法の欠点に鑑み、繰り返し微細加工を施すガラス成形工程が可能であり、しかも一度に大面積にわたりガラス成形を施すことが可能なガラス成形型およびそれを用いたガラス成形部品の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために請求項１に記載のガラス成形金型は、室温から１００℃までの線膨張係数が１．３×１０−６／℃以上で１２．８×１０−６／℃以下のＮｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ基合金からなる基材と、表面に凹凸形状のパターンを有し、前記基材上に形成され、Ｗの含有量が４０質量％である、５μｍ以上の厚さのＮｉ−Ｗ合金膜と、からなることを特徴とする。
かかる特徴を有するガラス成形金型によれば、一度に大面積にわたる微細なガラス成形加工を行うことができる。
【０００９】
請求項２に記載のガラス成形金型は、請求項１に記載のガラス成形金型において、前記Ｎｉ−Ｗ合金膜の前記凹凸形状のパターンが、ＦＩＢまたはレーザにより加工・形成されたことを特徴とする。
かかる特徴によれば、前記Ｎｉ−Ｗ合金膜の前記凹凸形状のパターンを微細加工することができ、本金型を用いれば、微細なガラス成形加工が可能になる。
【００１０】
請求項３に記載のガラス成形金型は、請求項１に記載のガラス成形金型において、前記Ｎｉ−Ｗ合金膜の前記凹凸形状のパターンが、電鋳により形成されたことを特徴とする。
かかる特徴によれば、前記Ｎｉ−Ｗ合金膜に比較的高い前記凹凸形状のパターンを容易に形成することができるとともに、本金型を用いれば、微細なガラス成形加工が可能になる。
【００１１】
請求項４に記載のガラス成形金型は、請求項１に記載のガラス成形金型において、前記Ｎｉ−Ｗ合金膜の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする。
かかる特徴によれば、Ｎｉ−Ｗ合金膜の厚さが十分大きいために成形されるガラスと基材の線膨張率との間に比較的大きな差があっても、成形されたガラスにクラックが発生
しない。
【００１２】
請求項５に記載のガラス成形方法は、０．１Ｐａ以下の圧力に減圧した容器内において、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のガラス成形金型を用いて、ガラス転移点以上の温度でガラスをプレス成形することを特徴とする、
かかる特徴によれば、一度に大面積にわたる微細なガラス成形加工を行うことができるとともに、高温でのガラスのプレス成形により、金型表面が酸化するのを防ぎ、またガラスの成形金型への融着を防止できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、微細加工が施されたガラス成形部品を比較的安価で大量に生産することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図１乃至図３を参照して、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という）について詳細に説明する。
図１は実施形態のガラス成形金型の断面図である。図２は実施形態のガラス成形金型の製造工程を示す図である。さらに、図３は実施形態のガラス成形金型を用いて、微細加工を施したガラス成形品をプレス成形により作製する工程を簡略に示す図である。
【００１５】
図１に示すように、実施形態のガラス成形金型１は、基材３と表面に凹凸形状のパターンを有し、基材３上に形成されたＮｉ−Ｗ合金膜２からなる。実施形態のガラス成形金型１は、転移点以上の温度で繰り返し、ガラスを成形するために用いられる。そのため、ガラス成形金型１の基材３は耐熱性が必要である。そこで、実施形態のガラス成形金型１では、基材３に耐熱性が高いＮｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ基合金よりなるものにしている。この場合、Ｎｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ基合金とは、ＮｉとＦｅの含有量が５０原子％以上の合金のことである。
【００１６】
また、基材３の室温から１００℃までの線膨張係数は１．３×１０−６／℃以上で１２．８×１０−６／℃以下である。後述するように、基材３がこの線膨張係数の範囲にある場合、転移点以上の温度でガラスを成形して、冷却する工程を繰り返しても、Ｎｉ−Ｗ合金膜２にクラックが発生することがない。
【００１７】
Ｎｉ−Ｗ合金膜２は、Ｗを３０質量％以上、４０質量％以下含む、ＮｉとＷの合金膜である。このＮｉ−Ｗ合金膜２は、耐磨耗性に優れている。Ｎｉ−Ｗ合金膜２の表面には、凸部５ａと凹部５ｂからなる凹凸部５が形成されている。この凹凸部５は、実施形態のガラス成形金型１を用いてガラス成形品を作製すると同ガラス成形品に転写されるパターンに対応するものである。凹部５ｂの幅は、１μｍ以下にすることが可能である。
【００１８】
実施形態のガラス成形金型１の製造方法について図２を参照して説明する。実施形態のガラス成形金型１は、図２（Ａ）の基材３の基材上面３ａおよび基材下面３ｂが平行になるように研磨し、その上面３ａ上に図２（Ｂ）に示すようにＷを３０質量％以上で４０質量％以下含むＮｉ−Ｗ合金膜３ａを形成した金型材料６を作製する。
【００１９】
Ｎｉ−Ｗ合金膜２は、合金めっき、スパッタリングまたは真空蒸着により形成される。金型材料６におけるＮｉ−Ｗ合金膜２ａの厚さは、５μｍ以上である。特に１０μｍ以上であることが望ましい。Ｎｉ−Ｗ合金膜２ａの厚さが１０μｍ以上の場合、基材３と成形加工を受けるガラスとの線膨張率に差に起因して、ガラスが受ける熱応力が十分緩和されて、この線膨張率に差により成形加工を受けるガラスが割れることがない。
【００２０】
Ｎｉ−Ｗ合金膜２を合金めっきにより形成する場合、ＮｉおよびＷがともにイオンとなって溶解した溶液をめっき液として用いる。Ｎｉ−Ｗ合金膜２をスパッタリングで形成する場合、Ｎｉ−Ｗの合金ターゲットを用いてスパッタリングを行うか、同一真空容器内でＮｉとＷのターゲットを同時にスパッタリングして、基材３上にＮｉ−Ｗ合金膜２を形成する。また、Ｎｉ−Ｗ合金膜２を真空蒸着により形成する場合は、同一真空容器内でＮｉとＷを同時に蒸発させて、基材３上にＮｉ−Ｗ合金膜２を形成する。
【００２１】
Ｎｉ−Ｗ合金膜２を、室温から１００℃までの線膨張係数が１．３×１０−６／℃以上で１２．８×１０−６／℃以下のＮｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ基合金よりなる基材３上に形成し、このＮｉ−Ｗ合金膜２をガラス成形に用いる場合、Ｎｉ−Ｗ合金膜２に割れが生じることはない。
【００２２】
表１に示す室温から１００℃までの線膨張係数が１．３×１０−６／℃以上で１２．８×１０−６／℃以下のＮｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ基合金、ＦＮ３１５、ＫＯＶおよびインコネル６８６のいずれかよりなる基材３上に、Ｗを４０質量％含む、厚さ２０μｍのＮｉ−Ｗ合金膜２をめっきにより形成した金型材料６を６００℃で熱処理したところ、Ｎｉ−Ｗ合金膜２に割れは発生しなかった。一方、室温から１００℃までの線膨張係数が１２．８×１０−６／℃より大きく、銅（Ｃｕ）よりなる基材３上に同じＮｉ−Ｗ合金膜２をめっきにより形成した金型材料６を６００℃で熱処理したところ、Ｎｉ−Ｗ合金膜２に割れが発生した。これは、Ｎｉ−Ｗ合金膜２と基材３の線膨張率の差による割れである。
【００２３】
【表１】
2008266077.tif 000003
【００２４】
実施形態のガラス成形金型１は、金型材料６のＮｉ−Ｗ合金膜２ａを加工することにより完成する。Ｎｉ−Ｗ合金膜２ａを加工する方法には、次に述べる２つの方法がある。一つの方法は集束イオンビーム（以下「ＦＩＢ」という）またはレーザによりＮｉ−Ｗ合金膜２ａを直接加工して図２（Ｃ）に示すガラス成形金型１にする方法である。ＦＩＢによる加工の場合、１μｍ以下の幅の溝部となる凹部５ｂを形成することが可能である。レーザ加工の場合、凹部５ｂの幅は１μｍ以上である。
【００２５】
もう一つの方法は、金型材料６のＮｉ−Ｗ合金膜２ａ上に図２（Ｄ）に示すレジストパターンを形成し、このレジストをマスクとしてＷを３０質量％以上、４０質量％以下含むＮｉ−Ｗ合金膜を電鋳し（図２（Ｅ）参照）、レジストを剥離して図２（Ｆ）に示すガラス成形金型１にする方法である。この方法の場合、凹部５ｂの幅は、１０μｍ以上である。
【００２６】
実施形態のガラス成形金型１を用いて図３（Ａ）および（Ｂ）に示す工程により、実施形態のガラス成形品が作製される。図３（Ａ）に示すように、メインバルブ１２および真空ポンプ１３により真空引きされ、内部が０．１Ｐａ以下の圧力に保持される真空容器１０内に上部ヒータ１１ａと下部ヒータ１１ｂが設置される。下部ヒータ１１ｂは断熱材１５上に設置され、上部ヒータ１１ａは真空容器１０の上側壁を貫通し外部に連通する荷重負荷軸１４に接合されている。
【００２７】
実施形態のガラス成形品のプレス成形においては、まず図３（Ａ）に示される上部ヒータ１１ａと下部ヒータ１１ｂの間に、ガラス成形金型１とガラスプレート７ａを配置し、ガラス成形金型１を上部ヒータ１１ａにより加熱し、ガラスプレート７ａを下部ヒータ１１ｂにより加熱する。ガラスプレート７ａはそのガラス転移点よりも高い温度で保持されるように上部ヒータ１１ａと下部ヒータ１１ｂを制御する。
【００２８】
ガラスプレート７ａが前記したように、そのガラス転移点よりも高い温度で保持された状態で、荷重負荷軸１４により上部ヒータ１１ａに荷重を負荷し、ガラスプレート７ａに所定の圧力が負荷されるようにする。その結果、図３（Ｂ）に示すように、ガラスプレート７ａの表面部分がガラス成形金型１のＮｉ−Ｗ合金膜３の凹凸部５に倣って変形し、実施形態のガラス成形品７が形成される。このガラス成形品７は、ガラス成形金型１から離型することにより完成する。
【００２９】
ここでガラス成形金型１のＮｉ−Ｗ合金膜３に含まれるＷの量が３０％未満の場合、転移点以上で行うガラス成形の際、ガラスプレート７ａがＮｉ−Ｗ合金膜３に融着するため、ガラス成形品７は、ガラス成形金型１から離型できない。ガラス成形金型１のＮｉ−Ｗ合金膜３に含まれるＷの量が３０質量％の場合、ガラス成形品７がガラス成形金型１に融着しない。
【実施例】
【００３０】
実施形態のガラス成形金型１を作製し、このガラス成形金型１を用いてガラスのプレス成形を行い、ガラス成形品７を作製した。
【００３１】
＜実施例１＞
Ｎｉ基合金であるインコロイ（登録商標）９０９の直径３０ｍｍの丸棒を１０ｍｍ厚さの円盤状サンプルに切り出し、この円盤状サンプルの上下面を研磨して両面の平行出しをして基材を作製する（図３（Ａ）参照）。インコロイ（登録商標）９０９の線膨張係数は、６００℃で９．６×１０−６／℃である。この基材の片面にＷを４０質量％含有するＮｉ−Ｗ合金めっきを２０μｍの厚さで形成し、表面を鏡面研磨し金型材料とした。使用しためっき液は、硫酸ニッケルを０．２Ｍ／ｌ、タングステン酸ナトリウムを０．２Ｍ／ｌ、クエン酸水素２アンモニウムを０．４Ｍ／ｌおよび蟻酸を０．２Ｍ／ｌ含み、ｐＨ６に調整された６０℃水溶液である。なお、Ｎｉ−Ｗ合金膜中のＷの含有量はＥＰＭＡで同定した。
【００３２】
この金型材料のＮｉ−Ｗ合金めっき層表面を、加速電圧４０ｋＶ、イオンビーム電流２０ｐＡの条件でＦＩＢ装置（ＥＩＰ５４００）を用いて加工したガラス成形金型ａを作製した。また、同金型材料のＮｉ−Ｗ合金めっき層表面を、ＹＡＧレーザで加工したガラス成形金型ｂを作製した。さらに、同金型材料のＮｉ−Ｗ合金めっき層表面にネガタイプのフォトレジストＫＭＰＲ１０５０（化薬マイクロケム株式会社製）でパターン形成した後、このレジストパターンをマスクとして金型材料作製に用いためっき液と同じめっき液を用いてＮｉ−Ｗ合金を電鋳してガラス成形金型ｃを作製した。
【００３３】
ほうけい酸ガラスＤ２６３（線膨張係数：７．２×１０−６／℃、ガラス転移点：５５７℃）をガラス成形金型ａ、ｂ、ｃのそれぞれを用いて、実施形態のガラス成形品の製造方法にしたがい、５９０℃で１０分のプレス成形を行ったところ、それぞれ図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すガラス成形品を作製することができた。これらのガラス成形品は、ガラス成形金型ａ、ｂ、ｃの凹凸部に倣ったものである。プレス成形においてＤ２６３ガラスの融着は起きなかった。いずれのガラス成形品にも割れは生じなかった。なお、使用したほうけい酸ガラスＤ２６３は、６４．２質量％のＳｉＯ２、３質量％のＡｌ２Ｏ３、８．９質量％のＢ２Ｏ３、３．１質量％のＢａＯ、７．１質量％のＺｎＯおよび７．２質量％のＮａ２Ｏよりなる組成のものです。
【００３４】
＜実施例２＞
実施例２では、表１で示す３種の基材を用いて、それぞれの基材上に実施例１と同一のＮｉ−Ｗ合金膜をそれぞれ形成した３種の金型材料を作製した。これらの金型材料のそれぞれのＮｉ−Ｗ合金膜に幅５０μｍで、深さ１．５μｍの溝部をレーザにより形成したガラス成形金型を３種作製した。レーザ加工にはＹＡＧレーザを用いた。使用したＹＡＧレーザは、波長が１０６４ｎｍで平均出力が１６Ｗのものである。
【００３５】
これらのガラス成形金型を用いて、パイレックス（登録商標）ガラス（線膨張係数：３．２×１０−６／℃、ガラス転移点：５６０℃）を実施形態のガラス成形品の製造方法にしたがい、５９０℃で１０分のプレス成形を行った。
【００３６】
プレス成形の結果、いずれのガラス成形金型を用いた場合でも、それぞれの溝部の形状に倣ったガラス成形品が作製できた。プレス成形においてＤ２６３ガラスの融着はおきなかった。また、いずれのガラス成形品にも割れは生じなかった。したがって、室温から１００℃までの線膨張係数が１．３×１０−６／℃以上で１２．８×１０−６／℃以下のＮｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ基合金よりなる基材を用いたガラス成形金型により、プレス成形によりガラス成形品を作製できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施形態のガラス成形金型の断面図である。
【図２】実施形態のガラス成形金型の製造工程を示す図である。
【図３】実施形態のガラス成形金型を用いて、微細加工を施したガラス成形品をプレス成形により作製する工程を簡略に示す図である。
【図４】実施形態のガラス成形金型を用いて作製したガラス成形品の写真であり、（Ａ）はＦＩＢ加工により作製したガラス成形金型を用いて作製したガラス成形品の写真であり、（Ｂ）はレーザ加工により作製したガラス成形金型を用いて作製したガラス成形品の写真であり、（Ｃ）はＮｉ−Ｗ合金を電鋳して作製したガラス成形金型を用いて作製したガラス成形品の写真である。
【符号の説明】
【００３８】
１      ガラス成形金型
２      Ｎｉ−Ｗ合金膜
３      基材
３ａ      基材上面
３ｂ      基材下面
４      レジスト
５      凹凸部
５ａ      凸部
５ｂ      凹部
６      金型材料
７      ガラス成形品
７ａ      ガラスプレート
１０      真空容器
１１ａ，１１ｂ      ヒータ
【図１】
2008266077.tif 000004
【図２】
2008266077.tif 000005
【図３】
2008266077.tif 000006
【図４】
2008266077.tif 000007