(57)【要約】【課題】高硬度で耐傷性、耐摩耗性、耐熱性及び耐反応性に優れた成形用金型、特に高精度な光学ガラス素子を長期間安定して作製することが可能な成形用金型を提供する。【解決手段】本発明の成形用金型は、成形面に、貴金属又は貴金属合金中に０．１〜２０質量％の窒化ホウ素が分散した保護膜が形成されていることを特徴とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形面に、貴金属又は貴金属合金中に０．１〜２０質量％の窒化ホウ素が分散した保護膜が形成されていることを特徴とする成形用金型。
【請求項２】
請求項１に記載の成形用金型において、前記貴金属がＰｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｒｈ及びＲｕからなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする成形用金型。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の成形用金型において、前記保護膜が、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｒｈ及びＲｕからなる群から選ばれた少なくとも一種の貴金属及び／又はその合金と窒化ホウ素とをターゲットとして用い、多元スパッタにより形成されたことを特徴とする成形用金型。
【請求項４】
成形面に保護膜を有する成形用金型の製造方法において、貴金属及び窒化ホウ素を含む少なくとも２つのターゲットを用い、多元スパッタにより前記貴金属又は前記貴金属合金中に０．１〜２０質量％の窒化ホウ素が分散した保護膜を成形面に形成することを特徴とする成形用金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高精度な光学ガラス素子を作製することが可能な高硬度で耐摩耗性に優れ、かつガラスとの密着力が低い成形用金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学ガラス素子成形は、所望の精度に仕上げた成形用金型に被成形ガラスを入れ、所定の温度、圧力を加えることにより成形ガラスを得る。成形ガラスにはプレスにより金型表面の形状が転写される。このような光学ガラス素子は非常に高い面精度が要求されるため、成形用金型はプレス時の高温、高圧力下においても耐酸化に優れ、傷が付きにくく摩耗しないことが要求される。
【０００３】
成形用金型の耐反応性及び耐酸化性を向上させるため、超硬合金等の高硬度の母材の成形面に貴金属を被覆した成形用金型が検討されてきた。しかしながら、貴金属は硬度が比較的低いため、このような成形用金型を長期間使用すると高精度が要求される成形面に変形が生じるという問題が発生する。
【０００４】
このため、貴金属合金中にＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５等の酸化物が分散した薄膜でプレス成形面を被覆し、成形面を硬化させた光学ガラス素子のプレス成形用金型が提案されている（特許文献１）。しかしながら、貴金属中に酸化物を分散させたこの金型は、傷が付きにくく摩耗しないが成形中にガラスが融着するという欠点がある。また、貴金属合金中にＴｉＢ２、ＺｒＢ２等のホウ素化合物が分散した薄膜でプレス成形面を被覆し、成形面を硬化させた光学ガラス素子のプレス成形用金型が提案されている（特許文献２）。貴金属中にホウ素化合物を分散させたこの金型は耐傷性及び耐摩耗性に優れるが、耐熱性、耐反応性、硬度、耐ガラスぬれ性等の性能は十分とはいえない。
【０００５】
窒化ホウ素は高硬度で、かつ熱的・化学的安定性に優れているため、工具、被覆材料等への応用が研究されている。窒化ホウ素を膜状に成形する試みが各種物理的蒸着（ＰＶＤ）法や化学的蒸着（ＣＶＤ）法によってなされている。しかし、窒化ホウ素は膜形成時に過大な内部応力を発生し、しかも化学的に安定であるため、窒化ホウ素を含有する膜は基体への密着性に乏しく、空気中での安定性に欠けるという問題点がある。窒化ホウ素膜を形成する方法としては、ホウ素を含有する蒸発源から基体上にホウ素分を蒸着させ、この蒸着層に窒素を含むイオン種を発生するイオン発生源からイオン種を照射する方法（特許文献３）、電子ビームによるホウ素の蒸発とイオンガン又は成膜表面へのバイアス印加による成膜表面へのＡｒイオン照射を組み合わせたイオンプレーティング法を基本とする方法、ＢＦ３とＮＨ３を原料とし化学的蒸着（ＣＶＤ）法により形成する方法等が知られている。しかし、これらの方法は窒化ホウ素の単一膜を形成するのには適しているが貴金属との複合膜を形成するのには適さない。
【０００６】
スパッタリング法により貴金属と窒化ホウ素の複合膜を成膜する方法も検討されている。例えば、貴金属ターゲット（６インチ角等）上に窒化ホウ素ターゲット（１０  ｍｍ角等）を載せてスパッタリングする方法がある。しかし、この方法は貴金属と窒化ホウ素のように、それぞれのターゲットのスパッタレートに差がある場合は、スパッタレートの高いターゲットの膜のみが成膜されてしまうという問題がある。
【０００７】
【特許文献１】
特公平２−４９２５６号公報
【特許文献２】
特公平４−２１６０７号公報
【特許文献３】
特公平２−５９８６３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、高硬度で耐傷性、耐摩耗性、耐熱性及び耐反応性に優れた成形用金型、特に高精度な光学ガラス素子を長期間安定して作製することが可能な成形用金型を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、貴金属又は貴金属合金中に窒化ホウ素を分散させた保護膜を金型の成形面に形成することにより、耐熱性、耐反応性、硬度及び耐ガラスぬれ性が向上した成形用金型が得られること、さらに貴金属又は貴金属合金中に窒化ホウ素を分散させた保護膜の形成方法として、窒化ホウ素及び貴金属を含む少なくとも２つのターゲットを用い、多元スパッタにより成形用金型の成形面に成膜することにより、貴金属又は貴金属合金中に所望量の窒化ホウ素が分散し、かつ密着性に優れ滑らかで均一な膜が得られることを発見し、本発明に想到した。
【００１０】
すなわち、本発明の成形用金型は成形面に、貴金属又は貴金属合金中に０．１〜２０質量％の窒化ホウ素が分散した保護膜が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
前記貴金属としては、好ましくはＰｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｒｈ及びＲｕからなる群から選ばれた少なくとも一種を用いる。前記保護膜は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｒｈ及びＲｕからなる群から選ばれた少なくとも一種の貴金属及び／又はその合金と窒化ホウ素とをターゲットとして用い、多元スパッタにより形成されるのが好ましい。
【００１２】
成形面に保護膜を有する本発明の成形用金型の製造方法は、貴金属及び窒化ホウ素を含む少なくとも２つのターゲットを用い、多元スパッタにより貴金属又は貴金属合金中に０．１〜２０質量％の窒化ホウ素が分散した保護膜を成形面に形成することを特徴とする。
【００１３】
成形面に複合膜を形成する場合、通常ターゲットの無駄を省く観点から所望する組成の合金ターゲットを作製し、単元スパッタにより成膜する。あるいは、ターゲット費用を抑える観点から原料の１つをターゲットに、他の原料をチップ（例：１０×１０  ｍｍ角）にして単元スパッタにより成膜する。しかしながら、複合膜が窒化ホウ素（ＢＮ）と貴金属からなる場合は単元スパッタを用いるのは得策ではない。すなわち、窒化ホウ素（ＢＮ）はＴｉＢ２、ＺｒＢ２等のホウ素化合物と異なり、スパッタレートが貴金属より大幅に低い。このため貴金属に窒化ホウ素を載せた複合ターゲットや粉末ターゲットを用い、単元スパッタにより蒸着する方法では窒化ホウ素が十分に蒸発せず、所望の組成を有する均一な保護膜を得ることが困難である。本発明の製造方法は貴金属と窒化ホウ素への印加電力それぞれを制御できる多元スパッタを用いるため、窒化ホウ素に対する印加電力を貴金属に対する印加電力に比べ十分に高くすることができる。そのため所望の組成を有し密着性に優れ滑らかで均一な膜を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［１］  成形用金型
図１は本発明の一実施例による成形用金型を示す。成形用金型１は基体１１と基体１１の成形面に形成された保護膜１２からなる。基体１１を形成する材料は特に限定されないが、通常超硬合金（タングステンカーバイド（ＷＣ）系合金、ＷＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系合金等）、サーメット（酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等）、セラミックス（ジルコニア（ＺｒＯ２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等）、耐熱金属材料（Ｆｅ基ステンレス系耐熱鋼、Ｎｉ基の超耐熱合金等）等の高硬度材料を用いる。保護膜１２は貴金属及び窒化ホウ素を含有し、貴金属又は貴金属合金中に窒化ホウ素が均一に分散されている。
【００１５】
貴金属としては金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等が挙げられる。貴金属は一種又は二種以上であってよく、貴金属単体であっても合金であってもよい。貴金属合金としては上記貴金属を少なくとも二つ以上含む合金、さらにハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）及びタングステン（Ｗ）のうち少なくとも一種が合計で全体の０〜３５質量％の範囲で添加されている合金等が挙げられる。
【００１６】
貴金属又は貴金属合金中の窒化ホウ素の含有量は０．１〜２０質量％であり、０．１〜１０質量％が好ましい。０．１質量％未満では硬度及び耐摩耗性が不足し、２０質量％を超えると耐反応性及び耐酸化性が不足する。窒化ホウ素は貴金属中に均一に分散しているのが好ましい。貴金属と窒化ホウ素の複合膜とすることにより耐反応性及び耐酸化性に優れる貴金属としての特性と、高硬度で耐熱性、耐反応性及び耐摩耗性に優れる窒化ホウ素としての特性の両方の特性を兼ね備えた保護膜を形成することができる。
【００１７】
保護膜は単層膜であっても多層膜であってもよい。多層膜の場合、同一の組成の膜であっても異なる組成の膜であってもよい。例えば、膜特性を向上させる目的で異なる組成の膜による多層構造としてもよいし、膜中の応力を緩和し膜剥離を防止する目的で同一組成の膜による多層構造としてもよい。保護膜の膜厚は特に限定されないが、通常０．１〜１．０μｍが好ましい。
【００１８】
［２］  成形用金型の製造方法
金型の成形面に保護膜を形成する方法としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等の物理蒸着法、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ等の化学蒸着法等の公知の方法を適宜用いることができる。中でも多元スパッタを用いるのが好ましい。多元スパッタを用いることにより貴金属又は貴金属合金中に所望量の窒化ホウ素を均一に分散させることができるだけでなく、基体に対する密着性に優れた膜を形成することができる。
【００１９】
多元スパッタを用いる場合スパッタ装置は公知のものであってよく、高周波スパッタ装置、マグネトロンスパッタ装置、イオンビームスパッタ装置、ＥＣＲスパッタ装置等が使用可能である。また、組成調整、内部応力制御等のため、成形面にバイアスを印可するバイアススパッタを併用することも可能である。保護膜は一種の貴金属と窒化ホウ素をターゲットとして用い、２元スパッタによる複合膜を形成してもよいし、二種以上の貴金属と窒化ホウ素をターゲットとして用い、多元スパッタによる複合膜を形成してもよい。貴金属のスパッタリングターゲットは、貴金属単体だけでなく貴金属合金を使用してもよい。
【００２０】
図２は本発明の成形用金型を作製するための多元高周波スパッタ装置の一例を示す。真空チャンバ２１はスパッタガス導入口２８と排気口２９を備えており、真空チャンバ２１内には成形用金型１を設置した金型ホルダ２３とターゲット２４を載置するターゲットホルダ２５が備えられている。金型ホルダ２３は回転自在に取り付けられおり、円盤状のホルダの外周部に複数の成形用金型１を設置できるようになっている。成形用金型１は成形面がターゲットホルダ側になるように金型ホルダ２３に設置されている。この例ではターゲットホルダ２５が２つ設けられており、各ターゲットホルダ２５ａ、２５ｂの上にターゲット２４ａ（貴金属）及びターゲット２４ｂ（窒化ホウ素）を載置する。ターゲットホルダ２５ａ、２５ｂは高周波電源２６と電気接続しており、また制御コンピュータ２７を備え、各ターゲットホルダ２５ａ、２５ｂに供給する電力を制御することができる。
【００２１】
この装置を用いて成形用金型１の成形面に保護膜１２を形成するには、まず真空チャンバ２１内を真空ポンプにより排気した後、スパッタガス導入口２８からスパッタガスを導入し、真空チャンバ２１内を約１×１０−２〜３×１０−３Ｔｏｒｒのスパッタガス雰囲気とする。スパッタガスは不活性ガスであれば特に限定されず、例えばアルゴンガス、窒素、これらの混合ガス等を用いることができる。金型ホルダ２３に設けられたヒータ（図示せず）により成形用金型１の成形面の温度が１００〜４００℃になるように加熱した後、高周波電源２６により金型ホルダ２３と各ターゲットホルダ２５ａ、２５ｂの間に電圧を同時に印加し、金型ホルダ２３を回転させながら成形用金型１の成形面に保護膜１２を形成する。高周波電源２６による印加は、あらかじめ各ターゲットホルダ２５ａ、２５ｂへの印加電力を設定し、設定した電力に基づいて行う。
【００２２】
多元スパッタでは、形成する保護膜中の構成成分を各ターゲットへの印加電力を設定することにより精密に制御することができる。具体的には、あらかじめ印加電力とその印加電力における各成分のスパッタ量を測定する。得られたデータ及び形成する保護膜の構成成分に基づいて各ターゲットへの印加電力を設定し、制御コンピュータ２７により所定の構成成分になるように制御しながら保護膜を形成する。
【００２３】
図２に示すように、保護膜１２を形成する際に２種類のターゲットからスパッタされた原料がちょうど金型ホルダ２３に設置された成形用金型１の成形面の中心で交わるように各ターゲットホルダ２５ａ、２５ｂの角度を調整するのが望ましい。交わる位置が中心にない場合は所望の組成にならない。金型は基板等と異なりある程度の高さがあるため、成膜時にスパッタされた各原料が成形面の中心で出会うようにあらかじめ調整する。調整は、金型ホルダ２３の位置を上下に移動させながら組成分析することによりを行い、所望の組成になる金型ホルダ２３の位置を決定する。
【００２４】
図３は本発明の成形用金型を作製するための多元高周波マグネトロンスパッタ装置の一例を示す。各ターゲットホルダ３５にはマグネット３０が内蔵されており、ターゲット３４表面に直交磁界を発生できるようになっている。ターゲットホルダ３５は同軸円柱型、プレーナ型、ガン型等のいずれでもよい。またターゲット面から磁力線が垂直に出ている中心部と周辺部が侵食されずに残るのを防止し、ターゲットの有効利用率を高める観点からマグネットを回転させる等の工夫が施されていてもよい。ターゲットホルダ３５以外の構成は図２に示すスパッタ装置と同様であるので説明を省略する。スパッタガスの種類、スパッタガス圧、成形用金型１成形面の温度等のスパッタリングの条件も図２に示すスパッタ装置の場合と同様である。
【００２５】
図３に示す例ではターゲットホルダ３５が３つ設けられており、３元のスパッタリングを行うことができる。例えば、各ターゲットホルダ３５ａ、３５ｂ、３５ｃにそれぞれ窒化ホウ素、白金及びイリジウムを載置し、各ターゲットホルダ３５ａ、３５ｂ、３５ｃにターゲットに応じた電力を印加することにより白金−イリジウム合金中に所望量の窒化ホウ素が分散した保護膜を形成することができる。
【００２６】
【実施例】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００２７】
実施例１
（１）  成形用金型の作製
図１に示すように超硬合金ＷＣからなる基体１１を所望の非球面形状に研削加工し、次いでダイヤモンド研磨材を用い、最大表面粗さＲｍａｘが０．０２μｍ以下になるように基体１１の成形面を研磨した。
【００２８】
図２に示す成膜装置を用い、得られた基体１１の成形面に保護膜１２を形成した。基体１１の成形面がターゲットホルダ２５側になるように基体１１を金型ホルダ２３に設置し、白金（Ｐｔ）及び窒化ホウ素（ＢＮ）をターゲットとして、それぞれターゲットホルダ２５ａ、２５ｂ上に載置した。各ターゲットホルダ２５ａ、２５ｂは、スパッタされた白金（Ｐｔ）及び窒化ホウ素（ＢＮ）が基体１１の成形面の中心で交わるように、あらかじめその角度を調整した。真空ポンプにより真空チャンバ２１内を減圧した後、スパッタガス導入口２８からアルゴンガスを導入し、約３×１０−３Ｔｏｒｒになるようにした。また基体１１の成形面の温度が３００℃になるようにヒータ（図示せず）で加熱した。白金（Ｐｔ）を載置したターゲットホルダ２５ａの出力を５０Ｗ、窒化ホウ素（ＢＮ）を載置したターゲットホルダ２５ｂの出力を１５０Ｗとし、スパッタ時間１００分で同時にスパッタリングし、白金（Ｐｔ）中に窒化ホウ素（ＢＮ）が分散した厚さ０．１５μｍの保護膜を形成した。白金（Ｐｔ）中の窒化ホウ素（ＢＮ）の含有量は１質量％であった。
【００２９】
（２）  評価
得られた一対の成形用金型を図４に示すプレス装置にセットした。プレス装置４２は案内型４２ａと、（１）で作製した成形用金型からなる上型４２ｂ及び下型４２ｃを有する。下型４２ｃ上にＶＣ７８（商品名、住田光学ガラス社製）ガラスを設置した後、このガラスを窒素雰囲気中で５８０℃に加熱し、上型４２ｂ及び下型４２ｃによりガラスをプレスし両面が凸形のレンズに成形した。成形したレンズを約２００℃で成形用金型から取り出した。このプレス成形を５０００回繰り返した後、使用した成形用金型（上型４２ｂ及び下型４２ｃ）を取り外し、５０００回プレス後の硬度及び最大表面粗さＲｍａｘを測定したところ、プレス前とほとんど同じ結果を得た。
【００３０】
【発明の効果】
上記の通り、本発明の成形用金型は、成形面が貴金属合金中に０．１〜２０質量％の窒化ホウ素を分散させた薄膜で被覆されているので、優れた耐傷性及び耐摩耗性を有し、５０００回プレス成形しても成形用金型の表面粗さはほとんど変化しない。そのため、工業的価値の高い高精度な光学ガラス素子を長期間安定して作製することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の成形用金型の一例を示す概略断面図である。
【図２】成形用金型の成形面に保護膜を形成するための多元スパッタ装置の一例を示す概略図である。
【図３】成形用金型の成形面に保護膜を形成するための多元スパッタ装置の別の例を示す概略図である。
【図４】本発明の成形用金型を用いた、光学ガラス素子を形成するためのプレス装置の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１・・・成形用金型
１１・・・基体
１２・・・保護膜
２１，３１・・・真空チャンバ
２３，３３・・・金型ホルダ
２４，３４・・・ターゲット
２５，３５・・・ターゲットホルダ
２６，３６・・・電源
２７，３７・・・制御コンピュータ
２８，３８・・・スパッタガス導入口
２９，３９・・・排気口
３０・・・マグネット
４１・・・ガラス
４２・・・プレス装置
４２ａ・・・案内型
４２ｂ・・・上型
４２ｃ・・・下型
【図１】
2004331457.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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