(57)【要約】【課題】光学素子との離型性が良く、かつ長寿命な成形面が、容易に、かつ安価に形成された光学素子成形用金型を提供すること。【解決手段】本実施形態に係る光学素子成形用金型１は、成形面１ａを有して、ガラスからなる光学素子のプレス成形に用いる光学素子成形用金型であって、成形面１ａの基となる成形基面２ａを有する型母材２と、タンタル酸化物を主成分として少なくとも型母材２の成形基面２ａに設けられた膜層３とを備え、膜層３の表面が成形面１ａとなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形面を有して、ガラスからなる光学素子のプレス成形に用いる光学素子成形用金型であって、
前記成形面の基となる成形基面を有する型母材と、
タンタル酸化物を主成分として少なくとも前記型母材の前記成形基面に設けられた膜層とを備え、
前記膜層の表面が成形面となっていることを特徴とする光学素子成形用金型。
【請求項２】
前記膜層が、少なくとも５０ｎｍの厚さに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。
【請求項３】
前記膜層が、前記成形面が形成されて前記タンタル酸化物の酸素濃度が略一定の最表層と、
前記成形面側から前記型母材側に向かって、前記酸素濃度が連続的又は段階的に低減する傾斜層と、
を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子成形用金型。
【請求項４】
タンタルが注入された注入層が前記成形基面に形成され、
前記膜層が、前記注入層に成膜されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の光学素子成形用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスからなる光学素子のプレス成形に用いる光学素子成形用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学ガラス材を加熱し、押圧手段により所望形状にプレス成形して、光学素子とする方法が従来から一般的に知られている。特に、近年は、光学系の高性能化に伴い、非球面形状のみならず自由曲面形状等の複雑な形状の光学素子を大量に安く生産することが望まれている。このような光学素子をプレス成形にて安価に生産するためには、成形型の長寿命化が必須の条件となる。成形型の寿命は、型と光学ガラス材とが接触する成形面の劣化に左右されることから、成形面の耐久性を向上するために、型母材にＴｉＮ膜、白金系合金膜、ＤＬＣ膜等が成膜されている。
【０００３】
ここで、光学ガラス材をプレス成形する温度は、使用する光学ガラス材のガラス転移温度にもよるが、一般的に４００℃〜８００℃である。この温度での成形では、元素の拡散が生じ易く、ヒートサイクルによって膜が劣化した場合には、光学ガラス材に含まれるアルカリ金属等の成分や雰囲気中の酸素分子が化学反応や粒界拡散し易くなる。その結果、型母材の劣化、膜剥離を生じやすくなる。そこで、成形型の表面にはイリジウム等による硬質膜の処理が行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−８９１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の光学素子成形用金型は、イリジウムを使用するので、入手の容易性や入手・加工コストの低減化の面で未だ十分ではない。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、光学素子との離型性が良く、かつ長寿命な成形面が、容易に、かつ安価に形成された光学素子成形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】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る光学素子成形用金型は、成形面を有して、ガラスからなる光学素子のプレス成形に用いる光学素子成形用金型であって、前記成形面の基となる成形基面を有する型母材と、タンタル酸化物を主成分として少なくとも前記型母材の前記成形基面に設けられた膜層とを備え、前記膜層の表面が成形面となっていることを特徴とする。
【０００６】
この発明は、タンタル酸化物が安定した酸化物であるため、酸化進行による膜層の劣化を抑えることができる。また、酸素の粒界からの拡散に対し、タンタル酸化物が酸素を含む化学元素の拡散をブロックする作用を有しており、高温下のガラス成分との反応も見られず、ガラスとの離型性を好適に高めることができる。
【０００７】
また、本発明は、前記光学素子成形用金型であって、前記膜層が、少なくとも５０ｎｍの厚さに形成されていることを特徴とする。
この発明は、膜層の厚さが、結晶粒の大きさよりも大きくなるので、粒子脱落などによる部分欠陥を抑えることができる。
【０００８】
また、本発明は、前記光学素子成形用金型であって、前記膜層が、前記成形面が形成されて前記タンタル酸化物の酸素濃度が略一定の最表層と、前記成形面側から前記型母材側に向かって、前記酸素濃度が連続的又は段階的に低減する傾斜層と、を備えていることを特徴とする。
この発明は、傾斜層があるので、最表層と型母材との密着性を高めることができる。
【０００９】
また、本発明は、前記光学素子成形用金型であって、タンタルが注入された注入層が前記成形基面に形成され、前記膜層が、前記注入層に成膜されていることを特徴とする。
この発明は、膜層と型母材との密着性をより高めることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光学素子との離型性が良く、かつ長寿命な成形面を、容易に、かつ安価に形成させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る第１の実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
本実施形態に係る光学素子成形用金型１は、図１に示すように、成形面１ａを有して、ガラスからなる図示しないレンズ等の光学素子のプレス成形に用いるものであって、成形面１ａの基となる成形基面２ａを有する型母材２と、タンタル酸化物を主成分として少なくとも成形基面２ａに設けられた膜層３とを備えている。膜層３の表面が成形面１ａとなっている。
【００１２】
型母材２は、例えば、超硬合金（ＷＣ９９％、ＴｉＣ１％）からなる基材が、所望の最終製品に対応した形状と概略近い形状に加工されてなり、成形基面２ａは、ダイヤモンド砥石を用いた研削加工により、成形面として所望の最終形状に対応した形状に加工された後、鏡面研磨が施されている。
【００１３】
膜層３は、成形面１ａが形成されてタンタル酸化物の酸素濃度が略一定の最表層５と、成形面１ａ側から型母材２側に向かって、酸素濃度が段階的に低減する傾斜層６と、を備えている。ここで、膜層３は、結晶粒よりも大きい、少なくとも５０ｎｍの厚さに形成されていればよい。
【００１４】
最表層５は、図２に示すように、ここでは約２００ｎｍの厚さとされ、タンタル酸化物における酸素（Ｏ）とタンタル（Ｔａ）との組成比が２．３となるような酸素濃度で成膜されている。なお、酸素濃度は、最表層５における組成比で２．１以上、理想的には２．５であれば、熱力学的に安定するのでよい。
【００１５】
傾斜層６は、ここでは約８００ｎｍの厚さとされ、約１５０ｎｍの厚さ毎にタンタル酸化物における酸素とタンタルとの組成比が変化するように成膜されている。即ち、成形面１ａ側から型母材２側に向かって酸素濃度が段階的に低減する一方、タンタル濃度は、この逆に成形面１ａ側から型母材２側に向かって段階的に増加する。なお、本実施形態では、組成比を４段階に分けて変化させているが、酸素濃度が型母材２における０の状態から最表層５の組成比となるまでの間の値であれば、任意の段階数で変化させても構わない。また、組成比が変化する層の厚さも全て均一である必要はなく、任意の厚さで構わない。
【００１６】
ここで、膜層３は、図３に示すような成膜装置７にて行う。この成膜装置７は、グランドに接続された真空容器８と、真空容器８内の上部に配され、成膜対象となる型母材２を保持する導電性の試料ホルダ１０と、試料ホルダ１０を介して接続された直流パルスバイアス電源１１と、試料ホルダ１０の下方に配されてプラズマを発生させる固体のターゲット１２と、プラズマを発生させるための初期放電を起こさせるトリガー電極１３と、固体のターゲット１２に放電してプラズマを発生させるアーク電極１５とを備えている。
【００１７】
真空容器８には、排気口８Ａ，８Ｂが設けられている。
トリガー電極１３は固体のターゲット１２と電気的に導通しないように、かつ高電圧がかかったとき放電により導通するように、固体のターゲット１２から所定の間隔で離間して図示しない絶縁体を介して設けられている。トリガー電極１３はトリガー電源１６に接続され、アーク電極１５はアーク電源１７に接続されている。直流パルスバイアス電源１１は、アーク電極１５の放電が始まると同時、又は遅延して負の電圧を発生させるように図示しないコンピューターにより制御されている。
【００１８】
膜層３の成膜方法について説明する。
本実施形態では、固体のターゲット１２として純度９９．９％のタンタルを使用した。
まず、試料ホルダ１０に型母材２をセットした後、真空容器８内の気圧を排気口８Ａ，８Ｂより排気して１×１０−４Ｐａ以下に減圧する。そして、アーク電極１５に６０Ｖの電圧を印加し、トリガー電極１３に４．５ｋＶの電圧を瞬間的に印加してトリガー放電を起こさせる。
【００１９】
このトリガー放電を引き金に、アーク電極１５から固体のターゲット１２に放電が起こり、固体のターゲット１２の表面からタンタルのプラズマが発生する。その瞬間、プラズマは真空容器８内の型母材２の成形基面２ａに到達する。こうして、所定の時間の経過後、タンタルが所定の厚さに成膜される。
【００２０】
その後、酸素分圧が、所定の値となるように酸素を真空容器８内に導入する。そして、上述した成膜工程を実施して、酸素とタンタルとが所定の組成比を有するタンタル酸化物を所定の膜厚にて成膜する。
【００２１】
さらに、真空容器８内の酸素濃度を段階的に変化させながら、それぞれの酸素濃度下にて上述した成膜工程を実施して、傾斜層６及び最表層５を順次成膜する。最後に大気雰囲気中で６００℃まで加熱後に徐冷して膜の残留応力を取り除く。
【００２２】
こうして得られた光学素子成形用金型１を用いて窒素雰囲気下で５６０℃の成形温度でＢｉ含有リン酸系硝材を成形したところ、焼付きやクモリのない所望の形状のものを作製することができた。
【００２３】
この光学素子成形用金型１によれば、タンタル酸化物が熱力学的に安定した酸化物であるため、酸化進行による膜層３の劣化を抑えることができる。また、酸素の粒界からの拡散に対し、タンタル酸化物が酸素を含む化学元素の拡散をブロックする作用を有しており、高温下のガラス成分との反応も見られず、ガラスとの離型性を好適に高めることができる。従って、成形する光学素子との離型性が良く、かつ長寿命な成形面１ａを、容易に、かつ安価に形成させることができる。
【００２４】
この際、膜層３の厚さが１０００ｎｍ即ち５０ｎｍ以上であり、結晶粒の大きさよりも大きいので、成形面１ａにおいて粒子脱落などによる部分欠陥を抑えることができる。
また、真空容器８内に導入する酸素濃度を段階的に変化させることによって、酸素の組成比が段階的に変化する傾斜層６を容易に成膜することができ、この傾斜層６によって、最も酸素濃度の高い最表層５と、最も酸素濃度の低い型母材２の成形基面２ａとの密着性を高めることができる。
【００２５】
次に、第２の実施形態について図４を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る光学素子成形用金型２０の膜層２１が有する傾斜層２２が、成形面２０ａ側から型母材２側に向かって、酸素濃度が連続的に低減するとした点である。
【００２６】
傾斜層２２は、第１の実施形態と同様に、約８００ｎｍの厚さとなっている。そして、成形面２０ａ側から型母材２側に向かって酸素濃度が連続的に低減する一方、タンタル濃度は、この逆に成形面２０ａ側から型母材２の成形基面２ａ側に向かって連続的に増加する。
【００２７】
この膜層２１も、第１の実施形態と同様の方法によって成膜される。ただし、傾斜層２２の成膜中に、酸素濃度が段階的ではなく連続的に変化するように真空容器中に酸素を導入する。
この光学素子成形用金型２０によれば、傾斜層２２において酸素の組成比が連続的に変化するので、最も酸素濃度の高い最表層５と、最も酸素濃度の低い型母材２との密着性をより好適に高めることができる。
【００２８】
次に、第３の実施形態について図５及び図６を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第３の実施形態と第２の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る光学素子成形用金型３０の型母材３１の成形基面３１ａに、タンタルが注入された注入層３２が形成され、膜層２１が注入層３２の上に成膜されているとした点である。
【００２９】
この注入層３２及び膜層２１の成膜方法について説明する。
まず、第１の実施形態と同様の固体のターゲット１２を使用する。
試料ホルダ１０に型母材３１をセットした後、真空容器８内の気圧を排気口８Ａ，８Ｂより排気して１×１０−４Ｐａ以下に減圧する。そして、アーク電極１５に６０Ｖの電圧を印加し、トリガー電極１３に４．５ｋＶの電圧を瞬間的に印加してトリガー放電を起こさせる。
【００３０】
このトリガー放電を引き金に、アーク電極１５から固体のターゲット１２に放電が起こり、固体のターゲット１２の表面からタンタルのプラズマが発生する。その瞬間、プラズマは真空容器８内の型母材３１の成形基面３１ａに到達する。
同時に直流パルスバイアス電源１１により型母材３１に１２μｓｅｃ幅、１３μｓｅｃのインターバルで−１５ｋＶの直流パルスバイアス電圧を１００回加える。これにより、型母材３１周囲のプラズマ中に含まれるイオンが直流パルスバイアス電圧により引き出され、型母材３１の成形基面３１ａに注入される。この注入操作を５００回繰り返した。このとき、引き出されるイオンは、成形基面３１ａの表面に垂直な方向の電界によって加速されるので、成形基面３１ａが３次元形状であっても全ての面でその面の垂直方向に注入される。こうして注入された成形基面３１ａにおけるタングステンとタンタルとの組成比を１：１とする。
【００３１】
その後、パルスバイアス電圧を低下させ、真空容器８内の酸素濃度を連続的に変化させながら第２の実施形態と同様の成膜工程を実施して、傾斜層２２及び最表層５を成膜する。最後に大気雰囲気中で６００℃まで加熱後に徐冷して膜の残留応力を取り除いて成形面３０ａを得る。
【００３２】
この発明によれば、注入層３２を備えているので、膜層３と型母材３１との密着性をより好適に高めることができる。
【００３３】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、型母材として超硬合金を用いたが、これに限らず、ステンレス鋼、インコネルなどの耐熱金属やタングステン合金を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学素子成形用金型を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光学素子成形用金型の膜層における組成比を示すグラフである。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光学素子成形用金型の膜層を形成するための装置を示す構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る光学素子成形用金型の膜層における組成比を示すグラフである。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る光学素子成形用金型を示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る光学素子成形用金型の膜層及び注入層における組成比を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１，２０，３０  光学素子成形用金型
１ａ，２０ａ，３０ａ  成形面
２，３１  型母材
２ａ，３１ａ  成形基面
３，２１  膜層
５  最表層
６，２２  傾斜層
３２  注入層
【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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