JPH03150231A - 光学素子成形用型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野Ｊ 本発明はガラスよりなる光学素子のプレス成形に用いる
光学素子成形用型に関し、特に、高温成形時における成
形ガラスの離型性が良好で、しかも型の表層の窒化硼素
（ＢＮ）膜の耐久性を良好にした光学素子成形用型に関
する。

［従来の技術］ 一般に、レンズ、プリズム、ミラー及びフィルタ等の光
学素子は、ガラス等の素材を研削して外形を所望の形状
とした後に、機能面即ち光が透過及びまたは反射する面
を研磨して光学面とすることにより製造されている。

以上の様な光学素子の製造においては、研削及び研磨に
より所望の表面精度を得るためには、熟練した作業者が
相当の時間加工を行なうことが必要であった。また。機
能面が非球面である光学素子を製造する場合には、一層
高度な研削及び研磨の技術が要求され且つ加工時間も長
くならざるを得なかった。

そこで最近では、上記の様な伝統的な光学素子製造方法
に代って所定の表面精度を有する成形用金型内に光学素
子材料を収容して加熱しながら加圧することによりプレ
ス成形にて直ちに機能面を含む全体的形状を形成する方
法が行なわれる様になってきている。これによれば、機
能面が非球面である場合でさえも比較的簡単かつ短時間
で光学素子の連続製造に適する。

以上の様なプレス成形において使用される型部材に要求
される性質としては、十分な硬度、良好な耐熱性、耐酸
化性、良好な鏡面加工性及び成形時において光学素子材
料と融着を起さず、反応析出物を生じにくいこと等があ
げられる。

そこで従来、この様なプレス成形用型としては、金属、
セラミックス母材及びこれらに適当な材料を被覆したも
のを使用していた。

特に化学的、熱的安定性が高く、硬度も高い被覆材とし
て近年ＢＮ膜が評価されており、特開昭６２−１３２７
３４及び特開昭６２−１６７２２９において光学素子成
形用型の表面処理としてＢＮ膜が開示されている。

［発明が解決しようとしている課題１ しかしながら、上記従来例ではＳｉＣまたはＡＩＮの型
母材上にＢＮ膜を形成しており、高温下の過酷な条件下
で使用する場合、ＢＮ膜と母材との密着性が悪く、微小
円板状の剥離を生じる。

このＢＮ膜の膜応力に起因する円板状の剥離が生じるた
め、成形型としての耐久性が低下してしまうという欠点
がある。

従って、本発明の目的は、高温での離型性が良好であり
、容易に高精度の光学素子を得ることができ、しかも型
の耐久性が良好な光学素子成形用型を提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明に従って、ガラスよりなる光学素子のプレス成形
に用いる光学素子成形用型において、型母材の少なくと
も成形面に、型母材側から数えて第１層目の金属膜、第
２層目の硼素膜または硼素と該第１層目の金属との混合
膜、第３層目の窒化硼素膜からなる３層膜が被覆されて
いることを特徴とする光学素子成形用型が提供される。

上記３層膜は、型母材との密着力の増大及び合成の膜応
力の緩和を達成するもので、型母材上に直接ＢＮ膜を形
成した場合に生じる円板状の膜剥離を防止する効果があ
る。

第１層目の金属膜、第２層目の混合膜に含まれる金属と
しては、例えばＴｉ、　Ｔａ、　Ｗ、　Ｍｏ、　Ｃｒ、
　Ｎｉ。

２ｒ、　Ｈｆ、　Ｖが挙げられる。

型母材としては、超硬合金の他、鏡面性、耐久性に優れ
たセラミックス材料、例えば窒化ケイ素、炭化ケイ素、
サーメットが挙げられる。

上記３層膜の全応力は各層に生じる応力の積み重ねであ
るため、同一条件で形成した３層膜であれば膜厚が薄い
程、３層膜と型母材との密着性が高（剥離しに（（好ま
しい、また。膜厚が薄い程、型母材表面の良好な鏡面性
（小さい表面粗さ）がそのまま、被覆膜が形成された型
表面に反映され易く好ましい。

第１層目の金属膜の膜厚は、０．１−１ｕｗの範囲にあ
ることが好ましい。膜厚が（Ｌｌｕｍ未満では第２層目
の膜との密着性が低下する傾向があり、また金属は結晶
化し易いため膜厚が厚くなる程表面粗さが太きくなり、
金属の種類により多少異なるが膜厚がｌｕＩｉを超える
と表面粗さが３００人程度を超える傾向がある。

第２層目の硼素（Ｂ）膜、または、硼素と第１層目に用
いた金属との混合膜の膜厚は、０．１−１μ■の範囲に
あることが好ましい。第２層目の膜は第１層目の膜と第
３層目の膜との密着性を改善するため設けられるもので
あり、膜厚が０．１ａｍ未満では密着性が十分改善され
ない傾向があり、またｌμＩを超えてもそれ以上密着性
が改善されない傾向がある、。

第３層目の窒化硼素（ＢＮ）膜の膜厚は、０．５〜２μ
ｍの範囲にあることが化学的安定性、密着の良好な光学
素子成形用型を得る上で好ましい。第３層目の膜は化学
的安定性、耐酸化性の良好なりＮ膜であるものの、膜厚
が０．５μ腸未満と薄い場合には第１層目の金属及び第
２層目の硼素または硼素と金属の混合と成形ガラスとの
反応が起き易い傾向があり、逆に膜厚が２ｇｍを超えて
厚くなると膜の応力（圧縮）が大きくなり剥離の原因と
なりしかも表面粗さも増大する傾向がある。

１実施例】 本発明を実施例により説明する。

実施例１ 第１図及び第２図は本発明に係る光学素子成形用型の１
つの実施態様を示すものである。

第１図は光学素子のプレス成形前の状態を示し、第２図
は光学素子成形後の状態を示す。第１図中１．２はを母
材、１−ａ、２−ａは該型母材のガラス素材の接触する
成形面に形成された第１層目の金属膜、１−ｂ、２−ｂ
は第２層目の硼素膜または硼素と第１層目の金属との混
合膜。

１−ｃ、２−ｃは第３層目のＢＮ膜、３はガラス素材で
あり、第２図中４は光学素子である。第１図に示すよう
に型の−間に置かれたガラス素材３をプレス成形するこ
とによって、第２図に示すようにレンズ等の光学素子４
が成形される。

本発明の光学素子成形用型を第３図に示す装置により製
造した。

第３図中、１０は真空槽、１１は硼素（Ｂ）ターゲット
、１２はチタン（Ｔｉ）ターゲット、１３は基板ホルダ
ー、１４は型母材、１５は基板加熱ヒーター、１６はス
パッタ用Ａｒガス導入０．１７は反応用Ｎ２ガス導入口
、１８４よ真空排気口、１９はシャッター、２０はター
ゲットへ印加する高周波電源、２１は基板バイアス用直
流電源である。上記型母材１４としては超硬合金ＩＣ（
９０％）＋Ｃ。

（１０％）及び焼結ＳｉＣを使用し、これらは所定の形
状に加工され、レンズ成形面が鏡面研磨されている。

Ｔｉ−Ｂ−ＢＮ　３層膜を形成する時は、有機溶剤によ
り表面を清浄にした型母材１４をその膜形成面をターゲ
ットｉｌ、１２に向は基板ホルダー１３に配置する。そ
の後、排気口１８より真空排気して５　ｘ　１０−Ｔｏ
ｒｒ程度の真空にするとともに基板加熱ヒーター１５に
より型母材１４を３００℃に加熱昇温する。

次に、スパッタ用Ａｒガスを＾ｒガス導入口１６から４
　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ迄導入し、直流・高周波切換え
２２を高周波側に接続し、高周波電源２０により基板ホ
ルダニ１３に５００Ｗの電力を印加し、マツチングを取
り、逆スパッタリングを５分間行なってクリーニングす
る。

次に、基板バイアス用電源２１により基板１３にｌ　Ｏ
ＯＶの負電圧を印加、高周波電源２０によりＴｉターゲ
ット１２にｉｋｗの電力を印加して放電開始後、シャッ
ター１９を開けてスパッタリングによるＴｉの成膜を開
始し、１０分程の成膜により膜厚０．２μ請のＴｉ膜（
第１層）を形成した後、シャッター１９を閉じた。

次に、Ｂターゲット１１にｉｋｗの電力を印加して放電
開始後、シャッター１９を開けてスパッタリングによる
Ｂの成膜を開始し、ｌＯ分程の成膜により膜厚０．２μ
■のＢ膜（第２層）を形成した。

次に、Ｎ２ガスをＮ２ガス導入口１７からｌ　Ｘ　１０
−”Ｔｏｒｒ　（全圧で５　ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ）迄
導入し、連続してＢＮの成膜を開始し、５０分程の成膜
により膜厚ＩｕｍのＢＮ膜（第３層）を形成し、その後
シャッターを閉じ、３層膜の形成を完了した。

このよにして得られた型を用いて第５図に示す成形装置
によりレンズの成形試験を行なった。

第５図中、５１は真空槽本体、５２はそのフタ、５３は
光学素子を成形する為の上型、５４はその下型、５５は
上型をおさえるための上型おさえ、５６は胴型、５７は
型ホルダー、５８はヒーター、５９は下型をつき上げる
つき上げ棒、６０は該つき上げ棒を作動するエアシリン
ダ、６１は油回転ボンブ、６２，６３．６４はバルブ、
６５は不活性ガス流入パイプ、６６はバルブ、６７はリ
ークバイブ、６８はバルブ、６９は温度センサー、７０
は水冷バイブ、７１は真空槽を支持する台を示す。

レンズを製作する工程を次に述べる。

まず、フリント系光学硝子（ＳＦ１４）を所定の量に調
整し、球状にした硝子素材を型のキャビティー内に置き
、これを装置内に投雪する。

ガラス素材を投入した型を装置内に設置してから真空槽
５１のフタ５２を閉じ、水冷バイブ７０に水を流し、ヒ
ーター５８に電流を通す、この時窒素ガス用バルブ６６
及び６８は閉じ、排気系バルブ６２，６３．６４も閉じ
ている。尚油回転ポンプ６１は常に回転している。

バルブ６２を開は排気をはじめ１０−”Ｔｏｒｒ以下に
なったらバルブ６２を閉じ、バルブ６６を開いて窒素ガ
スをボンベより真空槽内に導入する。所定温度になった
らエアシリンダ６０を作動させて１００　ｋｇ／ｃ■２
の圧力で５分間加圧する。圧力を除去した後、冷却速度
を−５℃／■ｉｎで転位点以下になるまで冷却し、その
後は−２０℃／ｇｉｎ以上の速度で冷却を行い、２００
℃以下に下がったらバルブ６６を閉じ、リークバルブ６
３を開いて真空槽５１内に空気を導入する。それからフ
タ５２を開は上型おさえをはずして成形物を取り出す。

上記のようにして、フリント系光学硝子ＳＦ１４（軟化
点Ｓ　ｐ　＝　５８６℃、転位点Ｔ　ｇ　＝　４８５℃
）を使用して、第２図に示すレンズ４を成形した。この
時の成形条件すなわち時間−温度関係図を第６図に示す
。

実施例２ 本発明の光学素子成形用型を第４図に示す装置により製
造した。

第４図中、３０は真空槽、３１はＴｉターゲット、３２
はＢターゲット、３３は基板ホルダー、３４は型母材、
３５は基板加熱ヒーター、３６はスパッタ用Ａｒガス導
入口、３７は反応用Ｎ２ガス導入口、３９は真空排気口
、４０はＴｉターゲット用シャッター、４１はＢターゲ
ット用シャッター、４２はＴｉターゲットへ供給する高
周波電源系（マツチング機構も含む）、４３はＢターゲ
ットへ供給する高周波電源系（マツチング機構も含む）
、４４は基板とＴｉターゲットへ高周波を供給するため
の接続切り換え、４５は基板バイアス用直流電源、４６
は直流・高周波切り換えである。

上記型母材３４としては超硬合金ＩＣ（９０％）十Ｃｏ
（１０％）及び焼結ＳｉＣを使用し、これらは所定の形
状に加工され、レンズ成形面が鏡面研磨されている。

Ｔｉ−Ｔｉ、Ｂ−ＢＮ３層膜を形成する時は、有機溶剤
により表面を清浄化した型母材３４をその膜形成面をタ
ーゲット３１．３２に向は基板ホルダー３３に配置する
。その後、排気口３９より真空排気して５　Ｘ　１０−
Ｔｏｒｒ程度の真空にするとともに基板加熱ヒーター３
５により型母材３４を３００℃に加熱昇温する。

次に、スパッタ用Ａｒガスを＾ｒガス導入口３６から４
　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ迄導入し、直流・高周波切換え
４６を高周波に接続し、高周波電源４２により基板ホル
ダー３３にｓｏｏｗの電力を加えて、マツチングを取り
、逆スパッタリングを５分間行なってクリーニングする
。

次に、基板バイアス用電源４５により基板３３に１００
Ｖの負電圧な印加、高周波電源４２によりＴｉターゲッ
ト３１に１ｋＷの電力を印加して放電開始後、Ｔｉター
ゲット用シャッター４０を開けてスパッタリングによる
Ｔｉの成膜を開始し、ｌＯ分程の成膜により膜厚０．２
μｌのＴｉ膜（第１層）を形成した。

次に、Ｔｉターゲット用シャッター４０を開けたままで
、高周波電源４３によりＢターゲット３２に１ｋＷの電
力を印加して放電開始後、Ｂターゲット用シャッター４
１を開けてスパッタリングにょるＴｉとＢの成膜を開始
し、１０分程の成膜により膜厚０．２μＩのＴＬとＢの
混合膜（第２層）を形成した。

次に、Ｔｉターゲット用シャッター４０を閉じた後、　
ＨｚガスをＮ、ガス導入口３７からＩＸＩＯ−”丁◎ｒ
ｒ（Ａｒ＋Ｎ＊の全圧で５　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ）迄
導入しスパッタリングによるＢＮの成膜を開始し、５０
分程の成膜により膜厚ｌｕ−のＯＮ膜（第３層）を形成
し、その後Ｂターゲット用シャッター４１を閉じ、３層
膜の形成を完了した。

このようにして得られた型を用いて実施例１と同様にし
てレンズの成形試験を行なった。

［発明の効果］ 本発明の光学素子成形用型によれば、型母材の少なくと
も成形面に、型母材側から数えて第１層目の金属膜、第
２層目の硼素膜または硼素と該第１層目の金属との混合
膜、第３層目の窒化硼素膜からなる３層膜を被覆するこ
とにより、型の最表面は成形ガラスとの反応が少なくか
つ成形時の過酷な条件下で膜剥離の生じない高耐久性の
型が実現した。上記３層膜は、型母材との密着力増大及
び合成の膜応力緩和を達成するもので、型母材上に直接
ＢＮ膜を形成した場合に生じる円板状の膜剥離を防止す
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明に係る光学素子成形用型の
−実施態様を示す断面図で、第１図はプレス成形前の状
態、第２図はプレス成形後の状態を示す、第３図および
第４図は本発明の型を製諸するため使用したスパッタリ
ング装置の模式図である。第５図は本発明に係る光学素
子成形用型を使用するレンズの成形装置を示す断面図で
ある。 第６図はレンズ成形の際の時間温度関係図である。 ！・−・型の母材、 １−ａ、２−ａ−・・第１層目の膜、 １−ｂ、２−ｂ・・・第２層目の膜、 １−ｃ、２−ｃ・・・第３層目の膜。 ３・・・ガラス素材、　　４・・・成形されたレンズ、
１０・・−真空槽、　　　　１１・−８ターゲット、１
２・−Ｔｉターゲット、１３・−・基板ホルダー、１４
・・・型母材、 １５・・・基板加熱ヒーター、 １６・−Ａｒガス導入口、１７・・・Ｎ２ガス導入口、
１Ｂ・・・真空槽排気口、１９−・−シャッター、２０
・−・ターゲット用高周波電源、 ２１・・・基板バイアス用直流電源、 ２２・・・直流・高周波切換え、 ２３・・・高周波接続ターゲット切換え、３０・・・真
空槽、　　　　３１・・・Ｔｉターゲット、３２・・・
Ｂターゲット、３３−・・基板ホルダー、３４−・・型
母材、 ３５・−・基板加熱ヒーター。 ３　ローＡｒガス導入口、３フーＮ、ガス導入口、３９
・・・真空排気口、 ４０・−・Ｔｉターゲット用シャッター、４１・・・Ｂ
ターゲット用シャッター、４２・・４１ターゲット用高
周波電源系、４３・−８ターゲット用高周波電源系、４
４・・・高周波接続切り換え、 ４５・・・基板バイアス用直流電源、 ４６・−・直流・高周波切り換え、 ５１・・・真空槽本体、　５２−・フタ。 ５３・・・上型、　　　　５４−・・下型、５５・・・
上型おさえ、　５６−・・胴型、５７・・・型ホルダー
、　　　５８−・・ヒーター、５９−−・つき上げ棒、
　　６０・・・エアシリンダ、６１・・・油回転ボンブ
、　６２．６３．６４・・・バルブ、６５・・・流入バ
イブ、　６６・・・バルブ、６７・・・流出バイブ、　
６８・・・バルブ、６９・・・温度センサー、７０・・
・水冷パイプ、７１・・・台。 代理人　弁理士　山　下　積　平 第１図 １　　　し１−ｃ 第２図 第４図 １・・−ト　　Ｌ 第５図 第６図 力ｌ王 ６００ｒ　１ 度−ｔ−−／−；　　　　　　　−一−−りさ）、時１
ｌｔ９；ｔ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガラスよりなる光学素子のプレス成形に用いる光学
   素子成形用型において、型母材の少なくとも成形面に、
   型母材側から数えて第１層目の金属膜、第２層目の硼素
   膜または硼素と該第１層目の金属との混合膜、第３層目
   の窒化硼素膜からなる３層膜が被覆されていることを特
   徴とする光学素子成形用型。 ２、型母材が超硬合金、窒化ケイ素、炭化ケイ素、サー
   メットから選ばれる高温高強度材からなるものである請
   求項１記載の光学素子成形用型。 ３、第１層目の金属膜がＴｉ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ
   、Ｗ、Ｖ、Ｎｉ、Ｔａから選ばれる金属からなるもので
   ある請求項１記載の光学素子成形用型。 ４、第１層目の膜厚が０．１〜１μｍ、第２層目の膜厚
   が０．１〜１μｍ、第３層目の膜厚が０．５μｍ〜２μ
   ｍである請求項１記載の光学素子成形用型。