(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
αおよび／またはβ型の焼結炭化珪素の基材表面に化学蒸着により形成したβ型炭化珪素膜を有する光学素子成形型において、
前記化学蒸着されたβ型炭化珪素膜を構成する結晶粒子が、法線方向に対して不特定の結晶方位を有し、かつ、短軸が５μｍ〜５０μｍであり、長軸が５０μｍ〜３００μｍである針状に伸びた針状粒子と、この針状粒子を囲む平均粒子径が３０μｍ以下である微細な結晶粒子との複合組織からなることを特徴とする光学素子成形型。
【請求項２】
β型炭化珪素膜の厚みが１００μｍ以上である請求項１に記載の光学素子成形型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズやプリズム等のガラスよりなる光学素子をプレス成形により製造する際に使用される光学素子成形用型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非球面レンズなどの複雑形状の光学素子を簡単かつ安価に得る方法として加熱軟化したガラスコブを成形型によりプレス成形する方法が採用され、高温での成形型としてセラミックス基材の表面に炭化珪素を蒸着した型が使用されている。
【０００３】
従来から、この蒸着した炭化珪素の成形特性を改善手段が種々提案されており、たとえば、特開昭６３−４５１３５号公報には、型の研削・研磨時の加工性を良くするために、主として（１１１）面配向性を有するβ型の炭化珪素膜を被着したものが、また、特開平７−１８７６８９号公報においては、超平滑面を得るための研磨性を良くするために、（２２０）面強配向を有するβ型の炭化珪素蒸着層を形成することが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この光学素子成形用型においては、超平滑面を得るための加工性も重要ではあるが、その用途上、機械的な負荷と、室温から成形温度にいたる間での熱サイクルによる熱的な負荷に耐える必要がある。とくに、近年の光学素子の成形が、成形工程の短縮のため、低温・高圧・短時間内での昇・降温条件下で実施されるようになり、このような厳しい条件下でも、十分な機械・熱的耐久性を具備する型が要求される。
しかしながら、従来の炭化珪素膜では、成形中に結晶粒子間の粒界に沿って膜上部から基材に至るクラックが発生しやすく、また、膜上部で剥離が発生し、寿命が短いという問題があった。
【０００５】
本発明において解決しようとする課題は、αおよび／またはβ型の焼結炭化珪素基材の表面に化学蒸着されたβ型炭化珪素膜から成る光学素子成形用型の機械的と熱的な要因に対する耐久性の改善にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、成形時の耐久性を向上させる上で、基材の表面に化学蒸着されたβ型炭化珪素膜でのクラックと剥離が、
（ｉ）膜の厚み方向に伝播するクラックが発生する
（ｉｉ）膜の上部で幅が数μｍ〜数十μｍ、深さが数μｍ〜数十μｍの剥離が発生する
という現象に対して、クラックの発生と伝播に対して抵抗性のある膜構成を考慮していく必要があるという観点から完成した。
【０００７】
まず、本発明においては、破壊エネルギーを増加させるため、粒界がクラックの伝播経路となるように粒界の構造を制御するもので、結晶粒子相互の界面（粒界）の不整合を増加させることによって、その界面のエネルギーを高めるとともに、粒子の相互作用を強めて粒界をクラックの伝播経路とする。
【０００８】
このためには、膜を構成する結晶粒子が、多方位の結晶粒子から構成させられることが必要であり、β型の炭化珪素膜においては、β型の炭化珪素膜の構成結晶子が基材表面の法線方向に対して、特定の結晶方位を有さない不特定の結晶方位を有する構成とすることが重要である。すなわち、構成結晶子が粉末Ｘ線回折データであるＪＣＰＤＳ（２９−１１２９）に記載されている回折面に対応した方位、＜１１１＞方位、＜１１０＞方位、＜３１１＞方位、＜１００＞方位、＜３３１＞方位、＜２１０＞方位、＜２１１＞方位、＜５１１＞方位全てを基材表面の法線方向に有する構成とし、結晶方位の異なる結晶子相互により、粒界を形成させることが必要である。
クラックの伝播に対する抵抗性をより向上させる上で、Ｘ線回折で得られた回
折ピークを用いて、
【数１】
0003756567.tif 000002
式の方法で計算した各結晶方位を有する結晶子の含有率が、６方位以上においてそれぞれ５％以上を占めることが望ましい。
【０００９】
【数１】
【００１０】
ＩA（ｉ）：ＪＣＰＤＳ（２９−１１２９）の（  ）ｉ面の回折強度
Ｉs（ｉ）：供試材の（  ）ｉ面の回折強度
なお、＜  ＞ｉ方位の含有率計算に使用した回折面は下記の通りである。
＜１１１＞方位の含有率は（１１１）面の反射強度
＜３１１＞方位の含有率は（３１１）面の反射強度
＜１１０＞方位の含有率は（２２０）面の反射強度
＜１００＞方位の含有率は（２００）面の反射強度
＜３３１＞方位の含有率は（３３０）面の反射強度
＜２１０＞方位の含有率は（４２０）面の反射強度
＜２１１＞方位の含有率は（４２２）面の反射強度
＜５１１＞方位の含有率は（５１１）面の反射強度
【００１１】
更に、本発明においては、クラックの伝播を抑制するために結晶粒子の形態を制御する。ミクロ組織が、針状に伸びた結晶粒子とその針状結晶粒子を囲んだその針状粒子より微細な結晶粒子から成る複合組織を有する構造を有する。このミクロ組織において、針状に伸びた粒子は微細な結晶粒子間で生じるクラックの伝播に対して抵抗を示し、膜上部の剥離の発生を抑制する。また、針状粒子を囲んだ微細な結晶粒子は針状粒子相互の粒界に発生する膜の断面を貫くクラックの伝播に対して効果を示す。ここで、針状粒子の大きさは短軸が５μｍ〜５０μｍ、長軸が５０μｍ〜３００μｍである。一方、針状粒子を囲んだ微細な結晶粒子は粒状・針状、どちらの形態でもよく、その平均粒子径は３０μｍ以下である。更に、針状粒子と微細な結晶粒子の含有割合はその効果を得るため膜断面の面積比において、針状粒子／微細粒子が２０／８０〜８０／２０であり、針状粒子と微細な結晶粒子が相互に均一に分散されていることが望ましい。
【００１２】
このように、蒸着膜という一方向へ結晶成長しやすい膜構造に対して、特定の配向性をもたせることなく、結晶粒界へ不均一性を導入するとともに、膜のミクロ組織に均一な複合構造を持たせ、クラックの発生・伝播に対し抵抗性を向上させることができる。
【００１３】
また、αおよび／またはβ型の焼結炭化珪素基材の表面にβ型炭化珪素膜を化学蒸着により膜を構成させた場合、基材と膜との界面には結晶方位の差に起因した残留応力が発生する。この残留応力は界面近傍ほどその影響が大きく、機械的強度が不安定で型に使用した場合成形中にクラックが容易に発生する。特に、上記条件を満足する結晶の場合、成形時の作用面の位置を基材より１００μｍ以上にすることにより、界面の残留応力の影響を回避でき、さらに、耐久性が改善された型が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明品の構成膜はボイドが存在しない膜であれば、加工方法を充分に検討することにより光学素子成形用の型に要求される最大面粗さが１０ｎｍ以下の光学的鏡面を得ることができる。
本発明に係る光学素子成形型は、基材に直接化学蒸着により形成したり、一度化学蒸着により得られた材料を接合等により設置することによっても得ることができる。
【００１５】
【実施例】
実施例１
本発明の実施例のミクロ組織写真を図１（Ａ）、（Ｂ）に示す。基材はβ型の炭化珪素焼結体で、膜はβ型の炭化珪素膜である。同図の写真に示すように、膜を構成している各結晶粒子は、法線方向に対して互いに不特定の結晶方位関係であり、膜のミクロ組織は、図１（Ａ）中に見られるように、基材に対して垂直方向に伸びた針状粒子と、図１（Ｂ）中に見られる針状粒子間に見られる微細な結晶粒子からなる複合組織を呈している。
凹形状の型基材としてβ型炭化珪素焼結体を所定形状に一次加工を施した後、化学蒸着により種々の配向とミクロ組織を有するβ型多結晶炭化珪素膜を３００μｍを形成し、その後、成形面をＲmax＜ｌ０ｎｍに鏡面加工を行い、被成形体との離型膜（ＤＬＣ薄膜）を形成した（成形使用面は基材より２００μｍ）。この成形型を用い、ＳＦ６相当（Ｔｇ＝５７０°Ｃ）のガラスを用い成形試験を実施した。成形温度は６５０°Ｃ、圧力は１００ｋｇ／ｃｍ2、加圧時間は１ｍｉｎ、雰囲気は窒素中で実施した。なお、成形サイクルはガラスを投入してからプレス開始までを９０秒、プレス時間を６０秒、プレス終了から離型までを９０秒とした。成形後に型の表面を観察し膜表面のクラック及び剥離の有無を調べた。本試験に供した化学蒸着炭化珪素の配向粒子の含有率、組織構成、成形試験結果を表１に示す。なお、本発明の化学蒸着炭化珪素膜は次の製造条件により作製した。
【００１６】
使用ガス：ＳｉＣｌ4，Ｈ2，ＣＨ4，Ａｒ
ガス流量：５〜２０  ｌ／ｍｉｎ
炉内圧力：１０〜３５０Ｔｏｒｒ
処理温度：１２００〜１５００°Ｃ
処理時間：６０ｍｉｎ
【００１７】
【表１】
0003756567.tif 000003
【００１８】
比較例として、方位の異なる結晶子の含有率が異なる、またミクロ組織の異なるＣＶＤ炭化珪素膜を有した型を用いて耐久性試験を実施した結果、本発明の場合、膜の剥離及び膜内のクラック発生までのサイクル回数が多い、即ち耐久性の点で優れており、比較例の場合が、短サイクルで膜剥離、膜内クラックが発生するのに対して、５０００回以上の成形が可能な耐久性を具備する型が得られた。
【００１９】
実施例２
実施例１の試料３に相当する膜構成を有するＣＶＤによる炭化珪素膜の厚みを５０、７５、１００、１５０、２００、３００μｍとし、実施例１と同様の成形回数による耐久試験を行った。その結果を図２に示す。同図は、横軸にＣＶＤによるＳｉＣの膜厚、縦軸に成形回数を示す。この試験結果から、膜厚１００μｍまで、その成形回数は急激に増大し耐久性が向上し、それ以上で、ほぼ定常状態を示すことが判った。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の光学素子成形用型は、結晶方位とミクロ組織がコントロールされた炭化珪素膜を有する成形型を用いることにより、高圧力、温度サイクル下での成形においても、従来の炭化珪素膜を有する成形型で見られた膜断面を通るクラックや膜上部の剥離の発生がなく、長期にわたるサイクルでも耐えることから、型寿命が大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明品の粒子構造の例を示す。
【図２】  膜圧と耐久性の関係を示す。
【図１】
0003756567.tif 000004
【図２】
0003756567.tif 000005