(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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用成形型において、型母材の少なくとも成形面がイリジウム酸化物を主成分とする膜層からなることを特徴とする光学素子用成形型。
【請求項２】
前記イリジウム酸化物の膜層が５０ｎｍ以上の厚さであることを特徴とする請求項１記載の光学素子用成形型。
【請求項３】
前記成形面から型母材方向に向けてイリジウム酸化物の濃度が低減するような分布としたことを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子用成形型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラスからなる光学素子をプレス成形するのに用いられる光学素子用成形型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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は以前より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で安く生産することが望まれている。光学素子を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であるが、様々な金属酸化物やアルカリ成分などを含む反応性の高いガラスを高温下で使用するため、型の劣化が激しくなっている。
【０００３】
光学ガラス材をプレス成形する温度は、ガラスの転移点にもよるが、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、特に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は化学反応や粒界拡散し易い。そのため型とガラスが接触する成形面の劣化が成形型の寿命を左右しており、これに対向するため、成形型の表面には硬質膜等の処理が行われている。
【０００４】
従来、このようなガラス成形に用いられる成形型に対しては、特開昭５９−１２３６２９号公報に記載されるように、型基材の表面にＴｉＮ層を形成したり、特開昭６２−３０３１号公報に記載されるように、白金系合金膜を被覆することがなされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする裸題】
しかしながら、型基材の表面にＴｉＮ層を形成したものは、型温度が高くなると雰囲気中の酸素やガラス中の酸化物からの酸素供給により、ＴｉＮが酸化する。特に高温下（５００℃以上）での連続成形においては、酸化の影響によりガラスとの離型性が悪くなり、その結果としてガラスとの融着が生じ、離型性が低下している。
【０００６】
一方、白金系合金膜を被覆した型においては、がラスとの離型性は良好である反面、連続成形においては膜剥離が生じている。白金系合金には酸素やガラス成分元素が粒界拡散により侵入し易く、拡散侵入した成分が中間層や基材の元素と反応して化合物を生成するためである。これにより、白金系合金膜下で反応した化合物成分の反応成長と、ガラス成形時の熱サイクルとにより膜剥離が生じている。
【０００７】
以上により、いずれの従来の成形型においても、連続成形の際には酸素やガラス成分との反応により型が劣化するため、成形型の寿命が非常に短い問題を有している。
【０００８】
本発明はこのような従来の問題点を考慮してなされたものであり、高温下での成形において離型性が良好であり、且つ長寿命の光学素子用成形型を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、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用成形型において、型母材の少なくとも成形面がイリジウム酸化物を主成分とする膜層からなることを特徴とする。
【００１０】
ガラス成形においては、主に成形型とガラスが接触する成形面の劣化が寿命を左右する。この発明では、イリジウム酸化物（ＩｒＯ２）の作用に着目し、この物質を成形面に形成することによって延命化を図っている。成形型の劣化要因としては、雰囲気中の酸素による型表面の酸化があるが、イリジウム酸化物は元来安定な酸化物であるため、酸化進行による劣化はない。
【００１１】
また酸素の粒界からの拡散に対し、イリジウム酸化物は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いる。このブロック作用については未だ原理的に解明されていないが、現象としては、光学素子の成形型以外にも、強誘電体メモリー用の薄膜等でも確認されている。さらに、イリジウム酸化物は非常に安定な物質であり、高温下のガラス成分との反応も見られず、ガラスとの離型性が非常に良好である。
【００１２】
従って、この発明の光学素子用成形型によれば、成形面にイリジウム酸化物を形成することにより、ガラスの離型性が良く、酸化やガラスとの化学反応や元素拡散に伴う劣化が改善されるため、型寿命を延ばすことができる。又、型寿命が延びることにより、光学素子を安価に提供することが可能となる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１記載の発明であって、前記イリジウム酸化物の膜層が５０ｎｍ以上の厚さであることを特徴とする。
【００１４】
成形型の成形面に用いる膜としてのイリジウム酸化物の膜層は、５０ｎｍ以上の厚さであれば十分にその作用効果を得ることができる。しかし５０ｎｍ以下の厚さでは、膜厚が結晶粒の大きさと非常に近くなるため、粒子脱落などによる部分欠陥の可能性が大きくなり好ましくない。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の発明であって、前記成形面から型母材方向に向けてイリジウム酸化物の濃度が低減するような分布としたことを特徴とする。
【００１６】
このようにイリジウム酸化物の濃度を成形面から型母材側に徐々に減少させるように傾斜させることにより、下地との密着力が向上する。
【００１７】
以上の発明において、成形面のイリジウム酸化物の濃度をＸＰＳによるプロファイルによって成形面から５０ｎｍの範囲で測定し、ガラス成形性の評価と比較すると、イリジウム酸化物が７０モル％（以下、モル％はモル比を示す。）以上で酸素の拡散低下の作用による延命効果が確認されている。
【００１８】
また、イリジウム酸化物の下層にイリジウムまたはイリジウム合金或いは酸化物層を形成することにより、イリジウム酸化物と型母材との密着力を向上させることができる。
【００１９】
以上の発明において、成形面に形成されたイリジウム酸化物の作用及び効果は型母材の材質に関わらず得られるため、型母材の材質は限定されないが、成形型の母材として用いられている超硬合金、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、クロミア、ジルコニアが高温時の硬度が高く好ましい。
【００２０】
成形型としての膜形成は、型母材の成形面側を研磨し、十分に平滑かつ形状精度を良好に仕上げた後、酸素ガス雰囲気下でイリジウム片をターゲットとした反応性スバッタリングを行うことにより、所望の厚さの膜が得られる。これに代えて、成形型の成形面にイリジウムを主成分とした薄膜をスパッタリングやその他のＰＶＤ法で成膜した後、その膜に酸素イオンを注入したり、大気雰囲気や酸素雰囲気下で高温に加熱して表面酸化を促進し、これにより成形面に酸化イリジウムを形成しても良い。また、成膜時にイオンビームミキシングを用いて成膜することができる。又、必要に応じて研磨を行い、粗さや形状などの表面品質を向上させても良い。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１に示すように、型母材１として超硬合金（ＷＣ９９％  ＴｉＣ１％）からなる基材を所望の最終製品に対応した形状と概略近い形状に加工した後、その成形面１ａをダイヤモンド砥石を用いた研削加工により所望の最終形状に対応した形状に加工し、その後、鏡面研磨を施した。これにより、直径φが１５ｍｍ、曲率半径Ｒが３２ｍｍの成形面１ａを有した四面形状の型母材１を作製した。
【００２２】
この型部材１の成形面１ａに対し、イリジウム（Ｉｒ）をターゲットとして酸素雰囲気中でＲＦスパックリングを行い、膜厚０．２μｍの酸化イリジウム（ＩｒＯ２ ）膜２を形成した。酸化イリジウム膜２を成膜した後は、この膜の表面がガラスの成形面となる。酸化イリジウム膜２の膜層の表面粗さＲａは０．００５μｍであった。この膜層をオージェ分光分析により元素分析を行ったところ、Ｉｒが３８ａｔ％（以下、ａｔ％は原子比を示す。）、Ｏが６２ａｔ％存在し、多くのＩｒＯ２ が存在していることが確認された。次に、以上のようにして成膜された成形型を大気雰囲気中で６００℃まで加熱した後、徐冷して膜の残留応力を取り除いた。
【００２３】
このようにして得られた光学素子用成形型を用いてＳｉＯ２ 、ＢａＯを主成分とした硝材Ａを大気雰囲気下で６００℃に加熱してプレス成形した。
【００２４】
比較例１としてこの実施の形態と同様の型母材にＲＦスパッタリングにより白金（Ｐｔ）を０．２μｍ成膜した成形型を用いて硝材Ａをプレス成形した。比較例１の成形型は２８６ショット目で白金膜に膜剥がれが生じた。膜剥がれの部分を観察、分析したところ、型母材の超硬合金中のタングステンが酸化されて酸化タングステン（ＷＯ３ ）が析出していた。タングステンの酸化で生じる酸化タングステンは酸化時に体積膨張するため、その膨張によって膜が剥がれ易くなったものと考えられる。酸化の原因となる酸素は白金膜からの粒界拡散によるものである。またオージェ分光分析によりプロファイルを撮ったところ、ガラス成分のバリウム（Ｂａ）が膜中の型母材付近まで侵入していることが確認された。これによっても、白金膜が他の元素を拡散し易いことが確認された。
【００２５】
これに対して、この実施の形態の成形型は、離型時のガラス貼り付きも全くなく、１０００ショット成形後も膜剥がれは見られなかった。この膜についてオージェ分光分析によりプロファイルを撮ったところ、バリウムは最表層のみに存在するだけであり、比較例１で見られたように深部まで拡散していないことが確認された。
【００２６】
従って、この実施の形態の成形型では、雰囲気中の酸素やガラス成分中の元素の拡散が抑制され、膜剥がれによる劣化を防止することができ、型寿命を長くすることが可能となっている。
【００２７】
（実施の形態２）
図２及び図３は実施の形態２を示す。この実施の形態では、実施の形態１と同様の超硬合金からなる型母材３の成形面３ａ上に対し、不活性ガス雰囲気中でＲＦスパッタリングを行ってクロム（Ｃｒ）を中間層４として０．４μｍ成膜し、更にイリジウムを最表層５として０．８μｍの膜厚で成膜した。
【００２８】
こうして得られた成形型の最表層５に対して、酸素イオンを加速電圧１２０ｋＶで１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２ 注入して成形面に酸化イリジウムを形成した。そして、この成形型を大気雰囲気下で６００℃まで加熱した後、徐冷した。
【００２９】
図３はこの成形型をＸＰＳにより探さ方向のプロファイルを行った結果である。。同図において、縦軸に組成比、横軸に膜の表面からの深さをプロットしてある。表面近傍では、酸素とイリジウムがほぼ２：１で存在し、酸化イリジウム（ＩｒＯ２ ）が形成されていると推定される。この酸化イリジウムの層５の表面がガラス成形の成形面となる。
【００３０】
このようにして得られた光学素子用成形型を用いて、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びアルカリ金属酸化物を主成分とした硝材Ｂを酸素雰囲気下で５６０℃に加熱してプレス成形したところ、離型時のガラス貼り付きが全く見られず、１０００ショット成形後も膜剥がれは見られなかった。
【００３１】
比較例２としてＴｉＮを超硬合金上に０．８μｍの膜厚で成膜した成形型を用いて同条件で成形したところ、１１０ショット目からガラスの貼り付きが見られ、その後も頻繁に貼り付くようになり１３８ショットで全くガラスが剥がれなくなった。ＴｉＮの表面を観察したところ、ガラスが接触する部分が初期の金色から酸化によって紫色に変色しており、この酸化物ＴｉＯ２ がガラス成分と同じためガラスとの親和力が高く、貼り付きの原因となったことが判明した。
【００３２】
このような実施の形態では、成形型が元来酸化物であるため、酸化による経時変化が無く、初期の離型性が継続して保たれている。また、酸化イリジウムを用いた実施の形態１と同様の効果に加え、更に中間層にクロムを用いたことにより、膜応力が低減して密着力が高まっている。
【００３３】
この実施の形態に使用した各材料の熱線膨張係数は、型母材３の超硬合金が５．４×１０−６／Ｋ、中間層４であるクロムが６．７×１０−６／Ｋ、イリジウムが９．８×１０−６／Ｋであり、クロムを用いることで、型母材３に直接イリジウム層を成膜するのに比べて  熱線膨張係数の差を低減することができている。
【００３４】
更に、クロムは高温下でイリジウムと相互拡散するため、クロム、イリジウム膜層間の密着力をさらに向上させることができる。なお、熱線膨張係数の差が低減する作用効果は、熱線膨張係数がイリジウムと型母材との間であるものであれば、その組合せで同様の効果を得ることができ、例えば基材に超碩合金を用いた場合には、中間層がニッケル（Ｎｉ）でも同様の効果を得ることができる。
【００３５】
この実施の形態では、表層から型母材３の方向に向けてイオン注入によりイリジウム酸化層を形成しており、イリジウム酸化物の濃度が徐々に低下する傾斜層となっているため、イリジウムとの境界からの剥離の可能性を低減させることができている。さらには、これらの作用の結果、この実施の形態の成形型は離型性が良いだけでなく、膜剥離に対する長寿命化も可能となっている。
【００３６】
（実施の形態３）
この実施の形態では、実施の形態１と同様の超硬合金からなる型母材上に対し、中間層として不活性ガス雰囲気中でのＲＦスパッタリングによりクロムを０．２μｍ成膜し、更に白金とイリジウムを組成比で白金２０ａｔ％、イリジウム８０ａｔ％の割合で０．３μｍの膜厚で成膜した。この膜の表面粗さＲａは０．００７μｍであった。
【００３７】
こうして得られた成形型を酸素雰囲気中で１０００℃に加熱して１時間保持し、表面酸化を促進させて表面にイリジウム酸化物を生成させ、その後、放冷した。得られた成形型の表面粗さＲａは０．０１μｍと粗くなったものの、成形型として求められる粗さとしてはまだ十分な鏡面を有している。
【００３８】
この光学素子用成形型を用いてＳｉＯ２ 、ＢａＯを主成分とした硝材Ａを大気雰囲気中で６００℃に加熱してプレス成形したところ、離型時のガラス貼り付きが全く見られず、１０００ショット成形後も膜剥がれは見られなかった。また、成形面の粗さも初期からの変化していなかった。
【００３９】
この実施の形態の成形型をオージェ分光分析によるプロファイルにより成形面から５０ｎｍの範囲で測定したところ、酸素とイリジウムと白金の組成比が、酸素５６ａｔ％、イリジウム３２ａｔ％、白金１２ａｔ％となっていた。イリジウムは白金と比べると非常に酸化され易い物質であり、検出された酸素は全てイリジウムの酸化に消費されている。ここでイリジウム酸化物のＩｒＯ２ と他元素の割合を算出すると、イリジウム酸化物が７０ａｔ％存在していることが確認された。このイリジウム酸化物と白金からなる膜の表面がガラス成形の成形面となる。
【００４０】
比較例３として、この実施の形態と同様の超硬合金からなる型母材上に不活性ガス雰囲気中でのＲＦスパッタリングによりクロムを中間層として０．２μｍ成膜し、さらに白金を０．３／μｍの膜厚で成膜した成形型を作製した。この成形型を用いて、ＳｉＯ２ 、ＢａＯを主成分とした硝材Ａを酸素雰囲気下で６００℃に加熱してプレス成形したところ、１００ショット時点でクロムの表面析出が確認され、６２５ショット目で膜剥離が生じた。この型を破壊して元素分析したところ、中間層のクロムを酸化していると推測される酸素が検出され、特に膜が剥離した付近では多くの酸素と一部ガラス成分であるバリウムが検出された。この成形型では酸素、バリウムの拡散が中間層と白金層との界面に影響を与えて膜剥離を生じたものである。
【００４１】
一方、この実施の形態の成形型を破壊して元素分析したところ、中間層には酸素はほとんど検出されず、バリウムは全く検出されなかった。これにより元素の拡散防止の効果があることが確認された。
【００４２】
このような実施の形態では、イリジウム酸化物は表層において元素拡散を防止しており、長寿命化が可能となっている。
【００４３】
（実施の形態４）
実施の形態１と同形状に加工されたジルコニア（ＺｒＯ２ ）からなるの型母材の成形面を、超微細ダイヤモンド砥粒を用いて面粗さＲａが０．００２μｍとなるように仕上げた。この成形面に対し、イリジウム（Ｉｒ）をターゲットとして酸素雰囲気中でのＲＦスパッタリングを行い、膜厚０．０５μｍの酸化イリジウム（ＩｒＯ２ ）膜を成膜した。この酸化イリジウムの膜の表面がガラス成形の成形面となる。
【００４４】
この光学素子用成形型を用いてＳｉＯ２ 、ＢａＯを主成分とした硝材Ａを大気雰囲気下で６００℃に加熱してプレス成形したところ、離型時のガラス貼り付きが全く見られず、１０００ショット成形後も膜剥がれは見られなかった。
【００４５】
（実施の形態５）
図４は実施の形態５を示す。型母材６として炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる基材を所望の最終製品に対応した形状と概略近い形状に加工した後、成形面６ａをダイヤモンド砥石を用いた研削加工により所望の最終形状に対応した形状に加工し、鏡面研磨を施した。これにより、直径φが１８ｍｍ、曲率半径Ｒが４５ｍｍの凸面形状の成形面６ａを有した型母材６が得られた。
【００４６】
そして、鏡面となっている型母材６の成形面６ａに対し、酸素イオンを加速電圧１００ｋＶで１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２ 注入して表面に二酸化ケイ素層（ＳｉＯ２ ）７を形成した。この二酸化ケイ素層７に対し、イリジウム（Ｉｒ）をターゲットとした酸素雰囲気中でのＲＦスパッタリングを行い、膜厚０．２μｍの酸化イリジウム（ＩｒＯ２ ）の膜層８を形成した。この酸化イリジウムの膜の表面がガラス成形の成形面となる。
【００４７】
この光学素子用成形型を用いて、Ｌａ２Ｏ３を主成分とした硝材Ｃを大気雰囲気下で６８０℃に加熱してプレス成形したところ、離型時のガラス貼り付きが全く見られず、１０００ショット成形後も膜剥離は見られなかった。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１の発明の光学素子用成形型によれば、ガラスの離型性が良好で、高温での耐久性に優れ、しかも酸化やガラスとの化学反応や元素拡散に伴う劣化が改善され、型寿命を延ばすことができる。
【００４９】
請求項２の発明によれば、イリジウム酸化物の膜層が５０ｎｍ以上の厚さのため、ガラスの離型性が良好で、型寿命を延ばすことができる。
【００５０】
請求項３の発明によれば、イリジウム酸化物の濃度を成形面から型母材側に徐々に減少させるように傾斜させるため、下地との密着力が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における成形型の断面図である。
【図２】実施の形態２の成形型の断面図である。
【図３】実施の形態２の成形型をＸＰＳ分析の特性図である。
【図４】実施の形態５の成形型の断面図である。
【符号の説明】
１  ３  ６  型母材
１ａ  ３ａ  ６ａ  成形面
２  ５  ８  酸化イリジウム膜
【図１】
0004327953.tif 000002
【図２】
0004327953.tif 000003
【図３】
0004327953.tif 000004
【図４】
0004327953.tif 000005