(57)【要約】【課題】自由曲面のような複雑形状の光学部品や金型の加工などにおいて、高精度の形状精度、加工面粗さを実現できるプラズマ加工方法及び装置を提供する。【解決手段】加工面が炭素を含む化合物薄膜１２で被覆された被加工物１１と工具電極１３の間に酸素を含むガスを供給しつつ、工具電極１３に電圧を印加することにより、被加工物１１と工具電極１３の間にプラズマ１６を発生させ、プラズマ１６から発生した酸素ラジカルにより加工面の化合物薄膜１２を加工するようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工面が炭素を含む化合物薄膜で被覆された被加工物と工具電極の間に酸素を含むガスを供給しつつ、前記工具電極に電圧を印加することにより、被加工物と工具電極の間にプラズマを発生させ、プラズマから発生した酸素ラジカルにより加工面の化合物薄膜を加工することを特徴とするプラズマ加工方法。
【請求項２】
ガスは酸素と不活性ガスからなることを特徴とする請求項１記載のプラズマ加工方法。
【請求項３】
化合物薄膜は、ダイヤモンドライクカーボン膜であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ加工方法。
【請求項４】
所望の形状を反転した形状を有する総形工具電極と被加工物との間にガスを供給しつつ、前記総形工具電極に電圧を印加することにより、総形工具電極と被加工物との間にプラズマを発生させ、プラズマから発生したラジカルあるいはイオンにより被加工物を加工し、総形工具電極の形状を前記被加工物に転写することを特徴とするプラズマ加工方法。
【請求項５】
ガスを、総形工具電極と被加工物との間の側方から供給することを特徴とする請求項４記載のプラズマ加工方法。
【請求項６】
ガスを、総形工具電極の加工面側に設けた供給孔から供給することを特徴とする請求項４記載のプラズマ加工方法。
【請求項７】
総形工具電極は多孔質材料で形成され、ガスを、前記総形工具電極の多孔質部分から供給することを特徴とする請求項４又は６記載のプラズマ加工方法。
【請求項８】
総形工具電極と被加工物を相対移動させながら加工することを特徴とする請求項４〜７の何れかに記載のプラズマ加工方法。
【請求項９】
総形工具電極と被加工物を対向した方向に往復移動させることを特徴とする請求項８記載のプラズマ加工方法。
【請求項１０】
被加工物の加工面が、炭素を含有する化合物薄膜で被覆されており、ガスが酸素を含むことを特徴とする請求項４〜９の何れかに記載のプラズマ加工方法。
【請求項１１】
ガスは、酸素と不活性ガスからなることを特徴とする請求項１０記載のプラズマ加工方法。
【請求項１２】
化合物薄膜は、ダイヤモンドライクカーボン膜であることを特徴とする請求項１０又は１１記載のプラズマ加工方法。
【請求項１３】
多孔質材料で構成されるとともに所望の形状を反転した形状を有する総形工具電極と、総形工具電極の多孔質部分から総形工具電極と被加工物との間にガスを供給するガス供給手段と、総形工具電極に電圧を印加する電源とを備えたことを特徴とするプラズマ加工装置。
【請求項１４】
総形工具電極と被加工物を対向方向に相対往復移動させる移動手段を設けたことを特徴とする請求項１３記載のプラズマ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡＶ機器やドキュメント作成機器等に用いられる光学部品や精密成形要金型等を製造するのに好適に適用されるプラズマ加工方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、光学部品の製造においては、近年、形状の高精度化、加工面粗さの低減、形状の自由曲面化がますます強く要請されている。レーザ光学系要光学部品を例とした場合、最終的な出力の分解能を高め、高精度化、高精細化するために、使用するレーザの波長が短くなってきている。また、色収差のない反射光学系が増加する傾向にある。このような理由から、光学部品の形状精度、加工面粗さに対する要求がますます高くなっている。
【０００３】
一方、光学部品の部品点数の低減も進んでいる。光学部品の形状は従来の軸対称形状から自由曲面と呼ばれる被対称形状に変化してきており、以前は複数の光学部品で構成されていた光学系が単純化されてきている。そのため、光学部品設計式の複雑、高度化が進展しており、それに伴って加工方法や形状精度の確保、形状精度の測定方法も高度化している。
【０００４】
このような光学部品や光学部品金型の加工には、多くの場合、切削、研削、研磨といった機械加工が用いられている。即ち、切削加工や研削加工で光学部品の形状を形作り、その後所要の表面粗さを達成するために仕上げ加工として研磨を行なっている。その際に、切削、研削で十分な形状精度を確保しておき、加工痕を除去する程度の研磨により表面粗さを整える方法が最も好ましいと考えられている。
【０００５】
図４を参照して、従来の研磨加工による表面仕上げ方法を説明する。研磨パッド４１と被加工物４２との間に、溶媒４４に砥粒４５を含ませたスラリー４３を介在させ、研磨パッド４１を矢印ｃのように回転させながら、矢印ｄのように被加工面に沿う方向に往復移動させることで研磨加工を行なう。こうして、スラリー４３の材質によって多少の差はあるものの、被加工物４２の表面において、化学的作用と物理的作用が生じ、被加工物４２が加工される。
【０００６】
ところで、研磨では加工面の粗さや形状精度に応じて徐々に砥粒４５の直径を小さくして行き、所望の表面粗さ、形状精度に追い込んで行くため、研磨加工は加工に時間がかかるという問題がある。また、スラリー４３が乾燥すると、被加工物４２表面に固着してしまうため、研磨加工とその洗浄を一体のプロセスで行なう必要があり、加工工程が煩雑になるという問題もある。
【０００７】
また、研磨において大面積を早く研磨するには、大きな研磨パッドを用いると良いが、近年の複雑な形状を持つ光学部品あるいは金型の場合、研磨パッドの圧力が不均一になり、その結果、研磨量に偏りが生じるため、切削や研削での形状精度を悪化させてしまうという問題がある。
【０００８】
一方、比較的小さい研磨パッドを用いて形状精度を改善する場合がある。すなわち、切削あるいは研削加工後の形状を測定し、所望の形状に対して凸になっている部分を局所的に研磨する方法である。この方法の問題点は、局所加工であるうえに、加工と測定を繰り返しながら加工を進めるため、加工タクトが長くなること、作業に熟練を要すること、非対称形状の自由曲面の場合、特定位置を狙って研磨しながら、全体的にも均一に研磨することが困難であることなどが挙げられる。
【０００９】
また、研磨時にゴミなどの異物が混入すると、異物によってスクラッチ傷が入る場合があり、研磨工程においてかなりのクリーン度が要求され、設備コストが高くなるという問題がある。
【００１０】
このように、研磨加工は、光学部品や金型表面の鏡面加工方法として総じて有用な方法であるが、加工面が自由曲面のような複雑形状になった場合には、形状精度を確保することが困難である。
【００１１】
以上のような機械的な加工方法における問題を解消する加工方法として、プラズマＣＶＭ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）と呼ばれる、ラジカル反応を利用した無歪加工方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１２】
このプラズマＣＶＭは、高圧力下において、加工電極からプラズマを発生させ、ハロゲンを主成分とする反応性ガスからラジカルを生成し、被加工物と反応、気化させ、除去加工する方法である。
【００１３】
【特許文献１】
特開平９−６３７９１号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記プラズマＣＶＭは、大気圧でのプラズマ加工が可能であるが、例えば、特開平８−１３４６５１号公報に開示されているように、極めて反応性の高いガスを使用するため、その危険性を回避するために、加工室等に十分な安全対策をする必要があり、設備コストが高くなるという問題がある。
【００１５】
また、プラズマＣＶＭは、被加工物の材質とし、珪素や珪素化合物等に適用された事例が多く、他の材料にはあまり適用されていない。これは加工レートが小さいことが一要因であると考えられる。
【００１６】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、自由曲面のような複雑形状の光学部品や金型の加工などにおいて、高精度の形状精度、加工面粗さを実現できるプラズマ加工方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ加工方法は、加工面が炭素を含む化合物薄膜で被覆された被加工物と工具電極の間に酸素を含むガスを供給しつつ、前記工具電極に電圧を印加することにより、被加工物と工具電極の間にプラズマを発生させ、プラズマから発生した酸素ラジカルにより加工面の化合物薄膜を加工するものであり、炭素を含む化合物薄膜で被覆された被加工物の加工面を酸素ラジカルによりプラズマ加工することにより非接触で加工でき、そのため加工面の加工変質層を極めて小さくでき、精密加工を実現できる。
【００１８】
このとき、ガスが酸素と不活性ガスからなると、ハロゲン化物等と比較して、簡素かつ安価に装置化することができる。
【００１９】
また、化合物薄膜が、ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）であると、耐摩耗性、成形材料の離形性に優れているため、加工面が光学面となる光学部品金型に適用することで、最終的に金型として使用する状態で、金型の形状精度、加工面粗さを仕上げ状態に加工することができる。
【００２０】
また、本発明のプラズマ加工方法は、所望の形状を反転した形状を有する総形工具電極と被加工物との間にガスを供給しつつ、前記総形工具電極に電圧を印加することにより、総形工具電極と被加工物との間にプラズマを発生させ、プラズマから発生したラジカルあるいはイオンにより被加工物を加工し、総形工具電極の形状を前記被加工物に転写するものであり、総形工具電極を用いることにより、所望の被加工物形状が自由曲面のような複雑形状であっても、短時間に被加工物上に所望の形状を加工することができる。
【００２１】
このとき、ガスは、総形工具電極と被加工物との間の側方から供給しても、総形工具電極の加工面側に設けた供給孔から供給しても良いが、総形工具電極を多孔質材料で形成して、ガスを総形工具電極の多孔質部分から供給するのが好適である。
【００２２】
また、総形工具電極と被加工物を相対移動させながら加工すると、より効率的に短時間で加工することができ、特に総形工具電極と被加工物を対向した方向に往復移動させるのが好適である。
【００２３】
また、被加工物の加工面が、炭素を含有する化合物薄膜で被覆されており、ガスが酸素を含むと、炭素を含む化合物薄膜で被覆された被加工物の加工面を酸素ラジカルによりプラズマ加工することにより非接触で加工でき、そのため加工面の加工変質層を極めて小さくでき、精密加工を実現できる。
【００２４】
また、ガスが、酸素と不活性ガスからなると、ハロゲン化物等と比較して、簡素かつ安価に装置化することができる。
【００２５】
また、化合物薄膜が、ダイヤモンドライクカーボン膜であると、耐摩耗性、成形材料の離形性に優れているため、加工面が光学面となる光学部品金型に適用することで、最終的に金型として使用する状態で、金型の形状精度、加工面粗さを仕上げ状態に加工することができる。
【００２６】
また、本発明のプラズマ加工装置は、多孔質材料で構成されるとともに所望の形状を反転した形状を有する総形工具電極と、総形工具電極の多孔質部分から総形工具電極と被加工物との間にガスを供給するガス供給手段と、総形工具電極に電圧を印加する電源とを備えたものであり、上記総形工具電極を用いたプラズマ加工方法を実施してその効果を奏することができる。
【００２７】
また、総形工具電極と被加工物を対向方向に相対往復移動させる移動手段を設けると、より効率的に短時間で加工することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明のプラズマ加工方法の第１の実施形態について、図１を参照して説明する。
【００２９】
図１において、１１は被加工物で、表面がダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜１２で被覆されている。ＤＬＣ膜１２は、炭素と水素からなるアモルファス構造の材料で、プラズマＣＶＤやイオンプレーティングで生成されたもので、高硬度であるため、耐摩耗性に優れている。また、ＤＬＣ膜１２は、耐蝕性、成形品の離形性等についても優れた機能性薄膜であり、金型に適用することによって、金型の長寿命化や成形品品質の向上に大きく貢献する材料である。
【００３０】
１３は工具電極で、絶縁物の細管ノズルにて構成されている。工具電極１３の細管中に、酸素と、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスから成るガスを供給ガス１５として供給し、工具電極１３に高周波電源１４から高周波電圧を印加することで、工具電極１３の管内でプラズマ１６が発生する。発生したプラズマ１６は工具電極１３の端部から被加工物１１の表面との間の間隙に放出される。
【００３１】
プラズマ１６中では酸素ラジカルが発生しており、その酸素ラジカルがＤＬＣ膜１２の炭素と反応し、二酸化炭素となって気中に放出され、ＤＬＣ膜１２が加工される。
【００３２】
被加工物１１が前加工によって、いわゆる表面粗さに相当する微細な凹凸がある場合、プラズマ加工では、凸部において加工が促進する傾向があるため、表面粗さの凹凸を平坦化することができる。従って、機能性薄膜を付加した被加工物１１の形状創成と表面粗さ向上が可能となる。
【００３３】
また、非接触加工であるため加工変質層を極めて小さくすることができる。さらに、供給ガス１５として、ハロゲン化物ではなく、酸素や不活性ガスを使用しているため、危険性が少なく、装置構造を簡略化することができる。また、プラスマ１６は局所に発生しており、大気圧でかつ大気雰囲気でも加工することができるため、装置構成を簡略化することができる。また、工具電極１３と被加工物１１とを相対移動させることにより、任意形状の加工を容易に実現することができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
次に、本発明のプラズマ加工方法の第２の実施形態について、図２を参照して説明する。
【００３５】
図２において、２１は被加工物、２２は被加工物２１上に形成したい形状を反転した形状を予め形成した多孔質材料から成る総形工具電極である。この総形工具電極２２の背面から供給ガス２４を供給すると、総形工具電極２２が多孔質であるため、供給ガス２４は様々な経路を通って対向させた被加工物２１との間隙に放出される。総形工具電極２２に高周波電源２３にて高周波電圧を印加すると、総形工具電極２２と被加工物２１との間隙にプラズマ２５が発生する。
【００３６】
発生したプラズマ２５で発生したラジカルあるいはイオンによって被加工物２１が加工される。このプラズマ加工では、凸部において加工が促進する傾向があるため、表面粗さの凹凸を平坦化することができる。
【００３７】
ここで、多孔質の総形工具電極２２と被加工物２１を、矢印ａで示すように互いに対向する方向に相対的に往復移動させると、間隙での圧力変化によって、相対する面の中央から外周部へガスの流れが生じ、被加工物２１を加工した際に生成した加工生成物を排除し、プラズマ２５を均一に発生させることができる。その結果、自由曲面のような複雑形状であっても総形工具電極２２を用いて短時間で高精度で、被加工物２１に形状を転写することができる。
【００３８】
（第３の実施形態）
次に、本発明のプラズマ加工方法の第３の実施形態について、図３を参照して説明する。
【００３９】
図３において、３１は被加工物で、その加工面はダイヤモンドカーボン（ＤＬＣ）膜３６にて被覆されている。３２は被加工物３１上に形成したい形状を反転した形状を予め形成した多孔質材料から成る総形工具電極であり、この総形工具電極３２の背面から酸素、アルゴン、ヘリウムから成る供給ガス３４を供給するように構成されている。供給ガス３４は、総形工具電極３２が多孔質であるため、様々な経路を通って対向させた被加工物３１との間隙に放出される。総形工具電極３２に高周波電源３３にて高周波電圧を印加すると、総形工具電極３２と被加工物３１との間隙にプラズマ３５が発生する。
【００４０】
発生した酸素ラジカルによって、被加工物３１上のＤＬＣ膜３６が加工される。このプラズマ加工では、凸部において加工が促進する傾向があるため、表面粗さの凹凸を平坦化することができる。
【００４１】
ここで、多孔質の総形工具電極３２と被加工物３１を、矢印ｂで示すように互いに対向する方向に相対的に往復移動させると、間隙での圧力変化によって、相対する面の中央から外周部へガスの流れが生じ、被加工物３１のＤＬＣ膜３６を加工した際に生成した二酸化炭素等の加工生成物を排除し、プラズマ３５を均一に発生させることができる。その結果、自由曲面のような複雑形状であっても総形工具電極３２を用いて短時間で高精度で、被加工物３１のＤＬＣ膜３６に形状を転写することができる。
【００４２】
また、非接触加工であるため加工変質層を極めて小さくすることができる。さらに、供給ガス３４は危険性が少なく、装置構造を簡略化することができる。また、大気圧でも加工することができるため、装置構成を簡略化することができる。
【００４３】
以上の実施形態に示したように、本発明によれば、ＤＬＣ膜１２、３６のような機能性薄膜を付加した被加工物１１、３１の形状創成と表面粗さ向上が可能となり、また非接触加工であるため加工変質層を極めて小さくすることができ、さらに供給ガスとして酸素や不活性ガスを使用することで、危険性が少なく、装置構成を簡略化することができる。
【００４４】
また、プラズマ１６、２５、３５を局所的に発生させるので、大気圧でかつ大気雰囲気中でも加工することができ、装置構成を簡略化することができる。
【００４５】
また、多孔質材料にて構成された総形工具電極２２、３２を用いることで、総形工具電極２２、３２と被加工物２１、３１の間隙の全面に均一に供給ガス２４、３４を放出させることができ、被加工物２１、３１に自由曲面のような複雑な形状を短時間に高精度に転写することができる。
【００４６】
なお、総形工具電極２２、３２は、多孔質材料にて構成したものに限定されるものではなく、供給ガス２４、３４を、総形工具電極２２、３２と被加工物２１、３１の間隙の側方から供給したり、総形工具電極２２、３２に加工面側に向けて供給孔を形成しておいて、供給ガス２４、３４が供給孔から総形工具電極２２、３２と被加工物２１、３１の間隙に向けて放出されるようにしても良い。
【００４７】
【発明の効果】
本発明のプラズマ加工方法によれば、被加工物と工具電極の間に酸素を含むガスを供給しつつ、前記工具電極に電圧を印加することでプラズマを発生し、そのプラズマから発生した酸素ラジカルにより加工するので、炭素を含む化合物薄膜で被覆された被加工物の加工面を非接触で加工でき、そのため加工面の加工変質層を極めて小さくでき、精密加工を実現できる。
【００４８】
また、本発明のプラズマ加工方法及び装置によれば、所望の形状を反転した形状を有する総形工具電極を用いてプラズマを発生させ、プラズマから発生したラジカルあるいはイオンにより被加工物を加工して総形工具電極の形状を被加工物に転写するので、所望の被加工物形状が自由曲面のような複雑形状であっても、短時間に被加工物上に所望の形状を加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ加工方法の第１の実施形態の概要説明図である。
【図２】本発明のプラズマ加工方法の第２の実施形態の概要説明図である。
【図３】本発明のプラズマ加工方法の第３の実施形態の概要説明図である。
【図４】従来例の表面仕上げ加工方法の概要説明図である。
【符号の説明】
１１、２１、３１  被加工物
１２、３６  炭素を含む化合物薄膜（ＤＬＣ膜）
１３  工具電極
１４、２３、３３  高周波電源
１５、２４、３４  供給ガス
１６、２５、３５  プラズマ
２２、３２  総形工具電極
【図１】
2004179014.tif 000003
【図２】
2004179014.tif 000004
【図３】
2004179014.tif 000005
【図４】
2004179014.tif 000006