JPH03153534A - 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］ 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、容易に高精度を実現で
き且つ耐久性良好な光学素子成形用型に関する。この様
な光学素子成形用型は例えば直接光学面を形成する高精
度成形のための型として好適に利用される。

［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、−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（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、及びこれらに適宜の材料をコーティング
した材料等数多くの種類が提案されている。

たとえば、特開昭４９−５１１１２号公報にはｌ　３Ｃ
ｒマルテンサイト鋼を用いた型が開示されており、特開
昭５２−４５６１３号公報には炭化ケイ素（ＳｉＣ）を
用いた型及び窒化ケイ素（ＳＩＪ４）を用いた型が開示
されており、特開昭６０−２４６２３０号公報には超硬
合金に貴金属をコーティングした型が開示されている。

［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、上記１３Ｃｒマルテンサイト鋼は酸化し
やす（更に高温のプレス成形時においてＦｅがガラス材
料中に拡散してガラスが着色する難点がある。また、上
記ＳｆＣや５ｉｘＮａは一般的には酸化されにくいので
あるが、高温ではある程度の酸化が生じ型表面に５ｉ（
ｈの膜が形成されるためガラスとの融着を生じやす（更
に硬度が高すぎるため加工性が極めて悪いという難点が
ある。

更に、表面に貴金属をコーティングした材料は硬度が低
いために傷付きやす（且つ変形しやすいという難点があ
る。

そこで、本発明は、上記従来技術に鑑み、容易に高精度
で製造でき且つプレス成形に際し精度劣化の少ない長寿
命の光学素子成形用型を提供することを目的とする。

〔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、複炭窒化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。

本発明において「複炭窒化膜」とは、複数の金属が結晶
質および／または非晶質の炭窒化物の状態で混在した膜
であり、これには、例えばＴａＮＣとＴｉＮＣからなる
膜の他にＴａＴｉＮＣ，（ＴａＴｉ）、ＮＧ等所謂侵入
型炭窒化物の構造が混在している膜や、金属元素あるい
は炭素、窒素が他の元素と結合しない状態で混在してい
たり、炭化物、窒化物が混在している膜なども含まれる
。以下、ＴａＮ（ニーＴｉＮＣ等はこれらの膜を総称す
る意味の複炭窒化膜の金属組成を主に表わすものとする
。

複炭窒化膜を構成する金属としては、例えばアルミニウ
ム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、ハフニウ
ム（Ｈｆ）、モリブデン（ＭＯ）、ニオブ（Ｎｂ）、タ
ンクＪしく丁ａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）
、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）が挙げら
れる。

従って、複炭窒化膜に含有される炭化物の形態としては
、通常のＡＩＮＧ、　ＢＮＧ、　ＣｒＮＣ，ＨｆＮＣ，
ＭｏＮＣ。

ＮｂＮＣ，ＴａＮＣ，ＴｉＮＣ，ＶＮＣ，ＷＮＣ，Ｚｒ
ＮＣ等や、これらの所謂侵入型炭化物（ＴａＴｉＮＣ，
（ＴａＴｉ）　ＪＣ等）などが挙げられる。

複炭窒化膜は、その組成において金属と炭素との原子比
率をかなりの範囲で変化させることができるが、実用的
範囲としては、金属含有率が３０〜５０ａｔｏｍ％程度
のものが好のましい。

複炭窒化膜の膜厚は製造条件により適宜設定されるが、
使用時に所望の特性が発揮できる様な膜厚（好ましくは
０．１〜１０μｍ、より好ましくは１ｔＬｍ程度）とす
ればよい。

型母材の材料としては、例えば超硬合金や焼結ＳｉＣを
用いることができる。これらの材料を切削、研削、研摩
等の加工により所望の外形とし、特に成形面は所望の表
面精度に仕上げて型母材に用いる。

型母材の表面に複炭窒化膜を被覆するには、例えばスパ
ッタリング法、イオンブレーティング法等の物理蒸着法
（ｐｖｏ法）やプラズマＣＶＤ法等の化学蒸着法（ＣＶ
Ｄ法）を用いる。

複炭窒化膜は、型母材との密着性を向上させる上で、中
間層を介して被覆されることが好ましく、またこの中間
層が複炭窒化膜を構成する金属と同一の金属からなるこ
とがより好ましい。

このようにして被覆された複炭窒化膜は、特に高温での
耐酸化性も高（ガラスとの融着性が著しく低く離型性が
良好であるので、これまで型との融着のために高精度成
形を工業的に実施することが困難であるとされている高
融点のガラスを用いる成形にも良好に適用でき、更には
一次成形されたガラスまたは溶融ガラスを型装置内に収
容してプレス成形する光学素子製造に適用して繰返し使
用しても良好な精度の光学素子を得ることができるとい
う利点がある。

［実施例］ 本発明を図面を参照しながら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は型母
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複炭窒化膜、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。

が　　された　の　　： 型母材は、超硬合金［ＷＣ（９０％）　＋　Ｃｏ（１０
％）］、焼結ＳｉＣからなり、所定の形状に加工され、
レンズ成形面が鏡面加工されている。該型母材の成形面
に複炭窒化膜を被覆して、以下の通り本発明による型を
製造した。また、比較のために上記型母材の成形面に被
覆を行なわない型及び該成形面にＳｉＣ層を形成した型
を製造した。製造した型の一覧表を第１表に示す。尚、
表１において、Ｎ０１１〜Ｎｏ、３０は本発明実施例で
ある。

次に、上記Ｎ０１１及びＮＯ１２については、第３図に
示される装置を用いて反応性スパッタリング法により型
母材の成形面上に炭化チタンタンタル層（ＴａＮＣ−Ｔ
ｉＮＣ）膜を形成した。

第３図において、２０はスパッタリング装置の気密室で
ある。気密室２０には排気口２１が接続されており、排
気口２１は不図示の減圧源に接続されている。気密室２
０内の上部には加熱ヒータ２２が配置されており、該ヒ
ータにはヒータ電源２３が接続されている。ヒータ２２
の下方に型母材支持体２４が配置されており、該支持体
には型母材バイアス電源２５が接続されている。支持体
２４には型母材２６が成形面を下向きにして支持される
。支持体２４の下方に炭化水素ガス及び窒素ガス導入用
バイブ２７、グロー放電発生用コイル２８が配置されて
おり、該コイルには整合回路２９を介して高周波電源３
０が接続されている。

気密室２０の下部にはカソード電極３１が配置されてい
る。電極３１の上部には面積比的１＝１の割合に混合し
たチタンとタンタルの混合ターゲット３２が設けられて
おり、下部には冷却水用バイブ３３が接続されている。

電極３１の上方にアルゴンガス導入用バイブ３４が配置
されており、ターゲット３２の上方の近傍にはシャター
３５が配置されている。

炭窒化チタンタンタル（ＴａＮＣ−ＴｉＮＣ）膜の形成
時には、上前の様にして得られた型母材２６をアセトン
で洗浄し、支持体２４により支持した後、気密室２０内
をＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒまで減圧した。次に、バイ
ブ３４からアルゴンガス（３Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ）を
導入し、コイル２８に高周波電界（１３，５６ＭＨｚ。

０、２ｋＷ−ｈｒ）を印加しアルゴンのグロー放電を発
生させ、バイアス電源２５により型母材２６に負バイア
ス（−５０Ｖ　）を印加してアルゴンイオンによるスパ
ッタクリーニングを行う。その後、バイブ３４からアル
ゴンガスを導入しながらカソード電極３１に高周波電界
（１３，５６ＭＨｚ　、　０１５ｋＷ−ｈｒ）を印加し
チタン・タンタル混合物ターゲット３２の近傍にアルゴ
ンのグロー放電を発生させ、チタン・タンタル混合物タ
ーゲットにアルゴンイオンの衝撃を与えてスパッタリン
グを行う。シャッター３５を開いて、同時にパイプ２７
により炭化水素ガス（メタン及びアセチレン）及び窒素
ガスをｌ　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ導入し型母材２６の近
傍に吹き付け、コイル２８に高周波電界（１３，５６Ｍ
Ｈｚ　、０．５ｋＷ−ｈｒ）を印加して炭素プラズマを
形成させ、バイアス電極２５により型母材２６に負バイ
アス（−５０Ｖ）を印加して炭素及び窒素イオンを型母
材２６に引込みながらチタン・タンタル混合物の反応性
スパッタリングを行って型母材２６の表面に炭化チタン
タンタル層を形成した。このとき型母材の温度は３００
℃であった。得られた炭窒化チタンタンタル層の厚さは
１μｍであった。前記実施例において、カソード電極に
高周波電界の代りにＤＣ電圧を印加しても同様な炭窒化
チタンタンタル層が得られた。

以下同様にしてＮ０１３〜Ｎｏ、３０の複炭窒化膜を形
成した。

また比較例については、第３図に示される装置を用いて
同様にして型母材の成形面上に炭化ケイ素層を形成した
。この際に、チタン・アルミ混合物ターゲットの代りに
ケイ素ターゲットを用いた。炭化ケイ素層の厚さは１μ
ｍであった。

ＦＦＩＩ（こよるレンズのブレス　　ニこのよにして得
られた型を用いて第４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４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は調型、５７は
型ホルダ−，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は油回転ポンプ、６２，６３．６４はバルブ、
６５は不活性ガス流入バイブ、６６はバルブ、６７はリ
ークパイプ、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
、これを装置内に設置する。

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、水冷パイプ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８０ｋｇ／ｃｍ”の圧
力で５分間加圧する。圧力を除去した後、冷却速度を一
り℃／ｗｉｎで転移点以下になるまで冷却し、その後は
一り０℃／ｗｉｎ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６３を
開いて真空槽５１内に空気を導入する。それからフタ５
２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５Ｆ１４（軟化
点Ｓｐ＝　５８６℃、転位点Ｔｇ＝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５図に示す。

以上の様なプレス成形（ｎ　＝　５０００）の前後にお
ける型部材５３（上型）、５４（下型）の成形面の表面
粗さ及び成型された光学素子の光学面の表面粗さ、なら
びに成形光学素子と型部材５３゜５４との離型性につい
て表１に示す。

表１ 本被覆の数値は、成分のモル％を示す。

以上の様に、本発明実施例においては、繰返しプレス成
形に使用しても良好な表面精度を十分に維持でき、良好
な表面精度の光学素子が成形できた。

上記実施例では成形される光学ガラスとしてフリント系
のものが用いられているが、その他のクラウン系等のガ
ラスについても同様に良好な精度での成形が可能である
。

上記実施例では型母材として超硬及び焼結ＳｉＣを用い
ているが、型母材はこの２つに限定されることな（高温
高強度な材料であればよい。

上記実施例では、ＰＶＤ法やＣＶＤ法で型母材上に形成
された複炭窒化膜をそのまま用いているが、該方法によ
り複炭窒化膜を比較的厚く形成しておき、その後表面を
鏡面研摩して用いることもできる。また、多数回のプレ
スにより表面に欠陥が生じた場合にも、この様な研摩に
より良好な表面を再生することができる。

また複炭窒化膜を構成する金属のａｔｏｍ比率は、この
実施例の比率に限定されることな（ターゲットの金属の
混合比率を変えることによって適宜比率を変えることが
できる。

実施例２ して　　　　　か　　された　の 澁」− 上記Ｎｏ、２７及びＮｏ、２８について、第３図に示し
た装置を用いて反応性スパッタリング法により型母材の
成形面上に、中間層（ＴａＴｉＨｆ）を介して、炭窒化
タンクルチタンハフニウム（２５ＴａＮＣ−２５ＴｉＮ
Ｃ−５０ＨｆＮＣ）層を被覆した。

但し、第３図において、ターゲット３２として面積比タ
ンタル：チタン：ハフニウム＝１：２：２の割合に混合
したタンクルチタンハフニウムターゲットを用いた。

上記の様にして得られた型母材２６をアセトンで洗浄し
、支持体２４により支持した後気密室２０内をＩ　Ｘ　
１０−’Ｔｏｒｒまで減圧した。次に、バイブ３４から
アルゴンガス（３Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ）を導入し、コ
イル２８に高周波電界（１３，５６ＭＨｚ、　０．２ｋ
Ｗｈｒ）を印加しアルゴンのグロー放電を発生させ、バ
イアス電源２５により型母材２６に負バイアス（−５０
Ｖ）を印加してアルゴンイオンによるスパッタクリーニ
ングを行う。その後、バイブ３４からアルゴンガスを導
入しながらカソード電極３１に高周波電界（１３，５６
ＭＨｚ　、０．５ｋＷ−ｈｒ）を印加しタンクルチタン
ハフニウムターゲット３２の近傍にアルゴンのグロー放
電を発生させ、ターゲット３２にアルゴンイオンの衝撃
を与えてスパッタリングを行う。まず、シャッター３５
を開けて中間層を０．２μｍの厚さで形成した。次に、
バイブ２７により炭化水素ガス（メタン及びアセチレン
）及び窒素ガスをｌ　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ導入し型母
材２６の近傍に吹き付け、コイル２８に高周波電界（１
３，５６Ｍ！（ｚ、０．５ｋＷ−ｈｒ）を印加して炭素
及び窒素プラズマを形成させ、バイアス電極２５により
型母材２６に負バイアス（−５０Ｖ　’）を印加して炭
素イオンを型母材２６に引込みながらタンクルチタンハ
フニウムの反応性スパッタリングを行って型母材２６の
表面に炭窒化タンタルチタンハフニウム層を形成した。

このとき型母材の温度は３００℃であった。得られた炭
窒化タンタルチタンハフニウム層中の金属含有率は５０
ａｔｏａ＋％であった。また、該複炭窒化膜の膜厚は１
μｍであった。前記実施例において、カソード電極に高
周波電界の代りにＤＣ電圧を印加しても同様な炭窒化タ
ンクルチタンハフニウム層が得られた。

これらの型を実施例１と同様にして繰返しプレス成形に
使用すると、実施例１と同様に良好な表面精度を十分に
維持でき、良好な表面精度の光学素子が成形できた。

［発明の効果］ 以上の様な本発明によれば、成形面が複炭窒化膜で被覆
されているので、繰返しプレス成形に際し精度劣化が少
な（、更に特に高温での使用においてもガラスとの融着
な生ずることのない長寿命の光学素子成形用型が提供さ
れる。

更に、複炭窒化膜はヌープ硬さＨｋが２４００〜３００
０ｋｇ／ｍ３”程度であり、高硬度であるため傷が付き
にくく、このため使用時においてクリーニングを繰返し
ても傷付きに（（、それ故に良好な表面精度の光学素子
を長期にわたって製造することができる。

また、本発明の型は型母材として加工性の良好なものを
幅広く選択することができるので、製造が容易である。

【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
一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図は本発
明の型を製造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４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５図
はレンズ成形の際の時間温度関係図である。 １．２・・・型母材、 １−ａ、２−ａ・・・複炭窒化膜、 ３・・・ガラス素材、　　　４・・・成形されたレンズ
、２０・・・気密室、　　　２１・・・排気口、２２・
・・加熱ヒータ、　　２３・・・ヒータ電源、２４・・
・型母材支持体、２５・・・バイアス電源、２６・・・
型母材、 ２７・・・炭化水素ガス及び窒素ガス導入用バイブ、 ２８・・・グロー放電発生用コイル、 ２９・・・整合回路、　　　３０・・・高周波電源、３
１・・・カソード電極、 ３２・・・ターゲット、 ３３・・・冷却水用バイブ、 ３４・・・アルゴンガス導入用バイブ、３５・・・シャ
ッター ５１・・・真空槽本体、　５２・・・フタ、５３・・・
上型、　　　　　５４・・・下型。 ５５・・・上型おさえ、　５６・・・調型、５７・・・
型ホルダ−、５８・・・ヒーター５９・・・つき上げ棒
、　　６０・・・エアシリンダ、６１・・・油回転ポン
プ、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・・
・水冷バイブ、７１・・・台。 第 図 第 図 第 図 ２ 第 図 第 図 時間（分）

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、
   複炭窒化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、複炭窒化膜を構成する金属が、アルミニウム（Ａｌ
   ）、ホウ素（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、ハフニウム（Ｈｆ
   ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（
   Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、タングス
   テン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）からなる群より選ば
   れた少なくとも２種である請求項１記載の光学素子成形
   用型。 ３、複炭窒化膜が、中間層を介して被覆されている請求
   項１記載の光学素子成形用型。 ４、中間層が、複炭窒化膜を構成する金属と同一の金属
   からなるものである請求項３記載の光学素子成形用型。