(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材上に表面層として、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法であって、
該表面層をイオンビームにより形成する際、成膜初期には基板温度を室温付近にし、その後基板温度を上昇させ成膜終了時には５００℃から８００℃にして炭素膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
【請求項２】
母材上に表面層として、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法であって、
該表面層をイオンビームにより形成する際、成膜初期には加速電圧を９ｋＶ以上とし、その後加速電圧を減少させ成膜終了時には２ｋＶ以下にして炭素膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
【請求項３】
母材上に表面層として、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法であって、
該表面層をイオンビームにより形成する際、成膜初期には基板とイオンビームの角度を９０°に設定し、その後基板を傾け成膜終了時には３０°以下にして炭素膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
【請求項４】
母材上に中間層を形成し、該中間層上に表面層として、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法であって、
該表面層をイオンビームにより形成する際、成膜初期には基板温度を室温付近にし、その後基板温度を上昇させ成膜終了時には５００℃から８００℃にして炭素膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
【請求項５】
母材上に中間層を形成し、該中間層上に表面層として、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法であって、
該表面層をイオンビームにより形成する際、成膜初期には加速電圧を９ｋＶ以上とし、その後加速電圧を減少させ成膜終了時には２ｋＶ以下にして炭素膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
【請求項６】
母材上に中間層を形成し、該中間層上に表面層として、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法であって、
該表面層をイオンビームにより形成する際、成膜初期には基板とイオンビームの角度を９０°に設定し、その後基板を傾け成膜終了時には３０°以下にして炭素膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光学素子成形用型及び光学素子に関し、詳しくは非球面レンズなどの高精度なガラス光学素子を、プレス成形することができるプレス成形用型、及び該型により成形された光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、研磨工程を経ずに所定の表面精度を有する成形用型内に光学素子材料を収容してプレス成形することにより、光学機器等に使用されるガラスレンズを製造する方法が提唱された。この方法は例えば、特公昭６１−３２２６３号公報に記載されている。
【０００３】
このようなガラス光学素子のプレス成形に使用される型材には硬度、強度、耐熱性、離型性、鏡面性等に優れていることが要求される。これらを満たす型材が多数提案されているが、その中で離型性に優れていると考えられている炭素系型材としては、以下のようなものがある。
【０００４】
１．特開昭４９−０８１４１９号公報：ガラス状炭素型
２．特公平０２−０４７４１１号公報：ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素薄膜
３．特開昭６４−０８３５２９号公報：硬質炭素膜あるいはｉ−Ｃ膜
４．特開平０２−０８０３３０号公報：水素化アモルファス炭素膜
５．特開平０４−０３７６１５号公報：グラファイト結晶とアモルファス炭素の炭素分子膜
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例では以下の問題点がある。
【０００６】
炭素系材料の中でも安定性に優れガラスとの反応性が小さく、炭素間の結合力の強い材料は離型性が良くない。これは、離型が図６に示すようにガラスと型の界面で起きるため、サブミクロンオーダーの転写条件においてはガラスと型の密着力が大きくなり、強度の小さいガラスでは冷却時の膨張係数の差による力のために層状破壊し、いわゆる融着を起こしてしまう。従って、ダイヤモンドやガラス状炭素は離型性が悪い。図６において１９はガラス、２０は型、Ａ−Ａ´は剥離面である。
【０００７】
これに対して、硬質炭素膜やｉ−Ｃ膜、水素化アモルファス炭素膜はプレス成形条件の温度下では一部がグラファイト化し、ガラスとの反応性に富むと共に炭素間の結合力が弱くなるため、離型性はダイヤモンドに比べて良くなる。これは、図７（ａ）〜（ｄ）に示すようにガラスと型の間に介在する反応層または型の表面強度が小さい場合にそこで離型するためである。図７で２１，２４，２７，３０はガラス、２２，２５，２８，３１は型、２３，２６，２９，３２は反応層であり、Ｂ−Ｂ´〜Ｅ−Ｅ´は剥離面であり、反応層は説明のために拡大して示してある。しかし、これらグラファイト状構造を多く含む膜の場合、膜自体の強度が小さくまた、母材との密着力が小さいため膜剥離を起こしてしまう。逆にグラファイト状構造が少ないダイヤモンド状炭素では、先に述べたように離型性が悪くなる。
【０００８】
以上のように、これまで提案された炭素系型材では離型性と膜剥離に対する耐久性双方を満たすことはできない。また、母材に表面層を設ける場合、母材の強度や硬度が必要となるが、それを満たす材料は一般に加工性に劣る。
【０００９】
そこで、本発明の第１の目的は、離型性と膜剥離耐久性に優れたプレス成形用型を提供することである。
【００１０】
本発明の第２の目的は、加工性の良い母材における強度及び硬度の不足を補うことである。
【００１１】
本発明の第３ないし第５の目的は、離型性と膜剥離耐久性に優れたプレス成形用型の表面層の成膜方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び作用】
第１の参考発明は、軟化状態にあるガラス素材を成形用型によりプレス成形して、該型の成形面に対応した光学機能面を該ガラス素材に形成するようにしたプレス成形方法に用いる光学素子成形用型において、該型が母材と表面層からなり、該表面層が、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜からなることを特徴とする光学素子成形用型である。このような炭素膜を表面層として用いることにより母材との密着性と膜強度が増し、膜剥離を防ぐと共に、ガラスに対する良好な離型を実現している。
【００１３】
第２の参考発明は、第１の参考発明において、母材と表面層の間に中間層を有する発明である。母材と表面層との間に高強度、高硬度の中間層を設けることにより、母材の強度不足を補っている。
【００１４】
本発明（その１）は、母材上に表面層として、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法であって、
該表面層をイオンビームにより形成する際、成膜初期には基板温度を室温付近にし、その後基板温度を上昇させ成膜終了時には５００℃から８００℃にして炭素膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法である。
【００１５】
本発明（その２）は、母材上に表面層として、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法であって、
該表面層をイオンビームにより形成する際、成膜初期には加速電圧を９ｋＶ以上とし、その後加速電圧を減少させ成膜終了時には２ｋＶ以下にして炭素膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法である。
【００１６】
本発明（その３）は、母材上に表面層として、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法であって、
該表面層をイオンビームにより形成する際、成膜初期には基板とイオンビームの角度を９０°に設定し、その後基板を傾け成膜終了時には３０°以下にして炭素膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法である。
【００１７】
第３の参考発明は、上記の参考発明及び本発明で得られた光学素子成形用型を用いて成形したことを特徴とするガラス光学素子である。
【００１８】
ここで、イオンビームによる炭素膜の成膜において表１の条件では、ダイヤモンド状構造を多く含む炭素膜が形成される。しかし、これらの条件において基板温度を上げるか、加速電圧を下げるか、基板とイオンビームとの角度を小さくすることにより炭素膜中のグラファイト構造が増加する。このことは、ラマン分光分析により１３６０ｃｍ-1のピークがこれらの条件変更により増加することで確認した。
【００１９】
表１
────────────────────────────────────
ガス種、流量  ：  ＣＨ4   １５ｓｃｃｍ    Ｈ2   ３０ｓｃｃｍ
ガス圧        ：  ３．５×１０-2Ｐａ
加速電圧      ：  １０ｋＶ
基板温度      ：  ２５℃
基板とイオンビームの角度  ：  ９０°
────────────────────────────────────
【００２０】
従って、本発明（その１）では、イオンビームにより炭素膜を成膜する場合、成膜初期には基板温度を室温付近の低温にし、その後基板温度を上昇させ終了時には５００〜８００℃にすることにより、母材との界面においては高硬度なダイヤモンド状炭素を形成させ、最表面においてはグラファイト状炭素を形成している。
【００２１】
本発明（その２）では、イオンビームにより炭素膜を成膜する場合、成膜初期には加速電圧を９ｋＶ以上に設定し、その後加速電圧を減少させ終了時には２ｋＶ以下にすることにより、母材との界面においては高硬度なダイヤモンド状炭素を形成させ、最表面においてはグラファイト状炭素を形成している。
【００２２】
本発明（その３）では、イオンビームにより炭素膜を成膜する場合、成膜初期には基板とイオンビームとの角度を９０°に設定し、その後基板を傾け終了時には３０°以下にすることにより、母材との界面においては高硬度なダイヤモンド状炭素を形成させ、最表面においてはグラファイト状炭素を形成している。
【００２３】
【実施例】
［実施例１］
図１及び図２は本発明に係る光学素子成形用型の一つの実施態様を示すものである。図１においては１はＳｉＣを用いた型母材、２は母材との界面においてはダイヤモンド状構造を有し、表面に向かって徐々にグラファイト構造が増加する炭素膜からなる表面層であり、３はガラス素材である。図２に示すように型の間に置かれたガラス素材３をプレス成形することによりレンズ等の光学素子４が得られる。
【００２４】
次に、本実施例の光学素子成形用型について詳述する。母材としてはＳｉＣを所定の形状に加工した後、図３に示すＩＢＤ（Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置に設置した。図３においては５は真空槽、６はイオンビーム装置、７はイオン化室、８はガス導入口、９はイオンビーム引き出しグリット、１０はイオンビーム、１１は母材、１２は基板ホルダー及びヒーター、１３は基板の中心軸回りに回転させるモーター、１４はイオンビームに対して基板を傾けるモーター、１５は排気口を示す。まず、真空槽内を６．６×１０-3Ｐａまで真空引きし、その後ガス導入口よりアルゴンガス３５ｓｃｃｍをイオン化室に導入しイオン化した後イオンビーム引き出しグリットに５００Ｖの電圧を印加してイオンビームを引き出し、母材に１分間照射して成形表面の洗浄化を行った。次に、ＣＨ4 ：１５ｓｃｃｍ、Ｈ2 ：３０ｓｃｃｍをイオン化室に導入してガス圧３．５×１０-2Ｐａとし、加速電圧１０ｋＶでイオンビームを引き出し、型に１分間照射した。この時基板温度は室温の２５℃である。その後１分間に１００℃の速度で昇温し、７００℃で１分間保持した後イオンビーム照射を止め成膜を終了した。膜厚を測定したところ７０ｎｍであった。
【００２５】
また、比較例として室温のまま同じ時間成膜した型と、成膜初期から基板温度を７００℃にして同じ時間成膜した型を作製した。
【００２６】
これらの型を用いて表２及び表３に組成を示すガラスを成形した。形状としては図４（ａ）に示す凸レンズと（ｂ）に示す凸メニスカスレンズを成形した。
【００２７】
【外１】
0003810022.tif 000002
【００２８】
【外２】
0003810022.tif 000003
【００２９】
成形は非酸化性雰囲気下で行い、ガラスＡについてはプレス温度６１４℃、荷重３００Ｋｇｆ、プレス時間１分間とし、冷却速度５０℃／ｍｉｎで冷却し、４８０℃で型から取り出した。また、ガラスＢについてはプレス温度６０７℃、荷重３００Ｋｇｆ、プレス時間１分とし、冷却速度５０℃／ｍｉｎで冷却し４８０℃で型から取り出した。成形結果を表４に示す。
【００３０】
【外３】
0003810022.tif 000004
【００３１】
本実施例の表面層についてはいずれのガラスいずれのガラス形状においても１０００ｓｈｏｔ成形可能であったが、室温で成膜したものはガラスＡの凸メニスカスレンズ及びガラスＢについては融着が発生した。また、７００℃で成膜したものはいずれのガラス、ガラス形状においても膜剥離が発生した。
【００３２】
以上のように、母材との界面ではダイヤモンド状構造の炭素膜を形成し、表面に向かって成膜時の基板温度を上昇させることによりグラファイト状構造を増加させた膜を形成し、この型を用いることにより、離型性、膜強度、及び母材との密着力を良くして融着と膜剥離を防ぐことが可能となる。
【００３３】
［実施例２］
図５は実施例２の光学素子成形用型を示すものである。図５において１６はＷＣを用いた母材、１７はＴｉＮの中間層、１８は母材との界面においてはダイヤモンド状構造を有し、表面に向かって徐々にグラファイト状構造が増加する炭素膜の表面層である。
【００３４】
次に、本実施例の光学素子成形用型について詳述する。母材のＷＣを所定の形状に加工した後、イオンプレーティングによりＴｉＮ膜を２μｍ形成する。その後実施例１で用いたＩＢＤ装置に設置した。まず、真空槽内を６．６×１０-3Ｐａまで真空引きし、ガス導入口よりアルゴンガス３５ｓｃｃｍをイオン化室に導入しイオン化した後、イオンビーム引き出しグリットに５００Ｖの電圧を印加してイオンビームを引き出し、母材に１分間照射して成形表面の洗浄化を行った。次に、ＣＨ4 ：１５ｓｃｃｍ、Ｈ2 ：３０ｓｃｃｍをイオン化室に導入してガス圧３．５×１０-2Ｐａとし、加速電圧１０ｋＶでイオンビームを引き出し、型に１分間照射した。その後１分間に１．５ｋＶの速度で加速電圧を下げて５００Ｖで１分間保持した後イオンビーム照射を止め成膜を終了した。膜厚を測定したところ６０ｎｍであった。
【００３５】
比較例として加速電圧を１０ｋＶのまま同じ時間成膜した型と、成膜初期から加速電圧を５００Ｖにして同じ時間成膜した型を作製した。また、母材のＷＣの上にそのまま本実施例の炭素膜を形成した型も作製した。
【００３６】
これらの型を用いて実施例１と同様にガラスＡ，Ｂで凸レンズと凸メニスカスレンズを成形した。成形結果を表５に示す。
【００３７】
【外４】
0003810022.tif 000005
【００３８】
本実施例の表面層についてはいずれのガラスいずれのガラス形状においても１０００ｓｈｏｔ成形可能であったが、ＴｉＮを中間層として用いなかったものは離型性に関しては問題なかったが、１０００ｓｈｏｔ後において型中心部に変形が発生し、表面粗さも初期のＲmax ８ｎｍから２５ｎｍに変化した。また加速電圧１０ｋＶで成膜したものはガラスＡのメニスカスレンズ及びガラスＢについては融着が発生した。また、加速電圧５００Ｖで成膜したものもガラスＡの凸メニスカスレンズ及びガラスＢについては膜剥離が発生した。
【００３９】
以上のように、母材としてＷＣを中間層としてＴｉＮを用いることにより、母材の変形を防ぐことができる。また、母材との界面ではダイヤモンド状構造の炭素膜を形成し、表面に向かって成膜時の加速電圧を減少させることによりグラファイト状構造を増加させた膜を形成し、この型を用いることにより、離型性、膜強度、及び母材との密着力を良くして融着と膜剥離を防ぐことが可能となる。
【００４０】
［実施例３］
実施例２と同様に母材にＷＣを用い所定の形状に加工した後、イオンプレーティングによりＴａＮ膜を２μｍ形成する。その後実施例１で用いたＩＢＤ装置に設置した。まず、真空槽内を６．６×１０-3Ｐａまで真空引きし、ガス導入口よりアルゴンガス３５ｓｃｃｍをイオン化室に導入しイオン化した後、イオンビーム引き出しグリットに５００Ｖの電圧を印加してイオンビームを引き出し、母材に１分間照射して成形表面の洗浄化を行った。次に、ＣＨ4 ：１５ｓｃｃｍ、Ｈ2 ：３０ｓｃｃｍをイオン化室に導入してガス圧３．５×１０-2ｐａとし、加速電圧１０ｋＶでイオンビームを引き出し、型に１分間照射した。その後１分間に７．５°の速度でモーター１４によりイオンビームに対して基板を傾け型中心部で３０°になったところで１分間保持した後イオンビーム照射を止め成膜を終了した。ここで、成膜中はモーター１３により型中心軸回りに基板を回転させた。膜厚を測定したところ７０ｎｍであった。
【００４１】
比較例として、基板を傾けずに同じ時間成膜した型と成膜初期から型中心部とイオンビームの角度を３０°にして同じ時間成膜した型を作製した。
【００４２】
これらの型を用いて実施例１と同様にガラスＡ，Ｂで凸レンズと凸メニスカスレンズを成形した。成形結果を表６に示す。
【００４３】
【外５】
0003810022.tif 000006
【００４４】
本実施例においてはいずれのガラスいずれのガラス形状においても１０００ｓｈｏｔ成形可能であったが、基板を傾けずに成膜した型は、ガラスＡの凸メニスカスレンズ及びガラスＢについては融着が発生した。３０°に傾けて成膜した型は、全ての成形において膜剥離が発生した。
【００４５】
以上のように、母材との界面ではダイヤモンド状構造の膜を形成し、表面に向かって成膜時のイオンビームとの角度を変えることによりグラファイト状構造を増加させた膜を形成し、この型を用いることにより、離型性、膜強度、及び母材との密着力を良くして融着と膜剥離を防ぐことが可能となる。
【００４６】
上記実施例ではイオンビームによりＣＨ4 とＨ2 を用いてガス圧３．５×１０-2 Ｐａなる条件で第１の参考発明の型の炭素膜の成膜法を示したが、ガス種や流量、ガス圧を成膜中に変更しても同様な炭素膜形成は可能である。成膜法もイオンビームに限らず、マイクロ波プラズマＣＶＤ、熱フィラメントＣＶＤ等においても可能である。また、ダイヤモンド膜やガラス状炭素へのイオン注入によっても第１の参考発明の型の炭素膜形成は可能である。
【００４７】
中間層、母材についても上記実施例に限らず、母材としては、サーメットやステンレス鋼、ＳｉＮ等、中間層としてはＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＴｉＣＮ、ＴａＣＮ、ＺｒＣＮ、ＨｆＣＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ダイヤモンド等でも可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、第１の参考発明によれば、離型性が良好で、膜強度及び膜と母材の密着力の大きい表面層が形成でき、融着及び膜剥離の防止が可能になる。
【００４９】
第２の参考発明によれば、母材と表面層との間に高硬度及び高強度の中間層を設けることにより、母材の強度不足を補うことができ、加工性に優れた材質を母材として使用可能となる。
【００５０】
本発明（その１）によれば、イオンビームにより炭素膜を成膜する際、成膜中に基板温度を上昇させることにより、第１の参考発明の型の表面層の形成が可能になる。
【００５１】
本発明（その２）によれば、イオンビームにより炭素膜を成膜する際、成膜中に加速電圧を減少させることにより、第１の参考発明の型の表面層の形成が可能になる。
【００５２】
本発明（その３）によれば、イオンビームにより炭素膜を成膜する際、成膜中に基板とイオンビームとの角度を小さくすることにより、第１の参考発明の型の表面層の形成が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の型の概略図で成形前の状態を示す。
【図２】実施例２の型の概略図で成形後の状態を示す。
【図３】実施例で用いるイオンビーム成膜装置を示す。
【図４】実施例で成形するレンズを表した図である。
【図５】実施例２、３の型の概略図である。
【図６】反応性の小さい型とガラスの剥離面を表した図である。
【図７】反応性の大きい型とガラスの剥離面を表した図である。
【符号の説明】
１，１１，１６    母材
２，１８    炭素膜
３    ガラス素材
４    成形されたレンズ
５    真空槽
６    イオンビーム装置
７    イオン化室
８    ガス導入口
９    イオンビーム引き出しグリッド
１０    イオンビーム
１２    基板ホルダー
１３，１４    モーター
１５    排気口
１７    中間層
１９，２１，２４，２７，３０    ガラス
２０，２２，２５，２８，３１    型
２３，２６，２９，３２    反応層
【図１】
0003810022.tif 000007
【図２】
0003810022.tif 000008
【図３】
0003810022.tif 000009
【図４】
0003810022.tif 000010
【図５】
0003810022.tif 000011
【図６】
0003810022.tif 000012
【図７】
0003810022.tif 000013