JPH10203833A

JPH10203833A - 光学素子成形用型及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10203833A
Application number: JP975897A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Negishi; 広明根岸
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1997-01-22
Filing date: 1997-01-22
Publication date: 1998-08-04

Abstract

(57)【要約】【課題】ガラス材料との反応がないプレス成形面の剥
離を防止する。【解決手段】成形型基体１のプレス成形面１ｂに、ガ
ラス材料と反応しないＨｆＮ含有薄膜１ａを形成する。
ＨｆＮ含有薄膜１ａと成形型基体１との間に、Ｎ元素、
Ｈｆ元素及び成形型基体構成元素の混合層３０を形成
し、薄膜１ａと成形型基体１との密着性を向上させる。

Description

【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、プリズム
等のガラスよりなる光学素子をガラス素材のプレス成形
により製造するために使用する成形用型及びその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】比較的小径のガラスレンズを、型を用い
たプレス成形により直接に、製造することが行われてい
る。このプレス成形に用いる型の型体の素材としては、
セラミックスや超硬材料などが用いられている。また、
型体の成形面に窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化ハ
ニウム等の離型性耐摩耗膜を形成して、ガラスレンズ成
形物の融着を防止したり、型の耐久性を向上させること
がなされている。例えば、特公平４−２９６１２号公報
には、ハフニウム（Ｈｆ）の窒化物を主成分とした薄膜
層を成形面に形成した光学素子成形用型が開示されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
離型性耐摩耗性膜では、ガラスレンズ成形型の型体への
融着を防止して耐久性をある程度改善することはできる
が、離型性膜耐摩耗性膜が薄膜であるため、プレス成形
を繰り返すことにより剥離が発生し、膜剥離個所からガ
ラスが型のプレス成形面に吸着、融着し易くなり、ガラ
スレンズの取り出しが困難となって、最終的には型体を
破損する問題があった。

【０００４】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、プレス成形面に形成した薄膜
の剥離を防止してプレス成形面へのガラスの吸着や融着
を防止することが可能で、これにより離型性が良好で耐
久性に優れた光学素子成形用型を提供することを目的と
する。又、本発明は、この光学素子成形用型を確実に製
造することができる製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【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の光学素子成形用型は、プレス成形面を有
する成形用型基体と、前記プレス成形面に形成された窒
化ハフニウムを含有する薄膜と、この薄膜と成形型基体
との界面に形成された成形型基体とハフニウム元素と窒
素元素との混合層とを具備するものである。

【０００６】プレス成形面に形成された薄膜は窒化ハフ
ニウムを含有している。この窒化ハフニウムは高温下に
おいても、ガラス材料との反応、融着がなく安定してい
る。又、窒化ハフニウムを含有する薄膜と、成形型基体
との界面に形成された成形型基体、ハフニウム元素及び
窒素元素の混合層は薄膜と成形型基体との密着性を向上
させる。従って、プレス成形面に設けた薄膜は成形型体
からの剥離が防止される。

【０００７】請求項２の光学素子成形用型の製造方法
は、ハフニウム元素を含有する物質の真空蒸着及び窒素
元素を含有するイオンの照射を、成形型基体のプレス成
形面に対して同時に、又は交互に行うことを特徴とする
ものである。

【０００８】ハフニウム元素を含有する物質の真空蒸着
及び窒素元素を含有するイオンの照射を行うことによ
り、成形型基体にハフニウム元素、窒素元素が注入さ
れ、これによりこれらの元素及び成形型基体が混合した
混合層が形成される。この混合層は、成形型基体から遠
ざかるにつれて、ハフニウム元素及び窒素元素の分布量
が増大し、プレス成形面の最上層には窒化ハフニウムを
含有した薄膜が形成される。

【０００９】請求項３の発明の光学素子成形用型は、窒
化ハフニウムの原子数比と略同比率となっているハフニ
ウム元素及び窒素元素の拡散層が成形型基体のプレス成
形面に形成されていることを特徴とするものである。

【００１０】ハフニウム元素及び窒素元素の拡散層が窒
化ハフニウムの原子数比と略同比率となっているため、
この拡散層を有したプレス成形面はガラス材料に対して
安定であり、融着や剥離が生じない。

【００１１】請求項４の発明の製造方法は、成形型基体
のプレス成形面に注入されるハフニウム元素と窒素元素
との比率が窒化ハフニウムの原子数比と略同比率となる
ように、ハフニウム元素を含有するイオンの照射及び窒
素元素を含有するイオンの照射を、プレス成形面に対し
て同時に、又は交互に行うことを特徴とするものであ
る。

【００１２】ハフニウム元素と窒素元素の注入量比率が
窒化ハフニウムの原子数比と略同じとなるようにイオン
照射するため、窒化ハフニウムの原子数比と同比率のハ
フニウム元素と窒素元素が拡散した拡散層をプレス成形
面に有した光学素子成形用型を製造できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】

［実施の形態１］図１は本発明の実施の形態１における
光学素子成形用型の製造装置を示し、炭化タングステン
を主成分とした超硬合金によって形成された成形型基体
１が減圧真空容器７内のホルダ２に支持されている。減
圧真空容器７内におけるホルダ２の下方には、ハフニウ
ム元素を含有する物質９を蒸発させる蒸発源３が配置さ
れ、ホルダ２の対向部位には成形型基体１に対して窒素
イオンを含有するイオン８を照射するイオン源４が配置
されている。

【００１４】又、ホルダ２の周囲には、成形型基体１の
成形面に蒸着されるハフニウム個数及び蒸着によって形
成された薄膜の膜厚を測定する膜厚モニタ５が配置され
ると共に、成形型基体１に照射されるイオンの数を計測
するイオン電流測定器６が配置されている。モニタ５は
例えば水晶振動式膜厚計を使用でき、イオン電流測定器
６としては、２次電子抑制電極を備えたファラデーカッ
プを使用できる。減圧真空容器７内は真空ポンプ１０に
よって、所定の圧力に減圧されるものであり、イオン源
４としては、カウフマン型、バスケット型等、特に限定
されない。

【００１５】次に、この装置を用いて、成形用型を製造
する手順を説明する。成形型基体１をホルダ２に支持し
た後、真空容器７内を１×１０^-5ｔｏｒｒ以下の高真空
に排気する。そして、成形型基体１のプレス成形面１ｂ
に対し、イオン源４より窒素イオンを含有するイオン８
を照射する。このイオン８としては、窒素イオンが良好
である。このイオン８の照射により、プレス成形面１ｂ
に成形型基体１の母材と窒素との混合層が形成されて改
質される。この際、照射するイオン１個当たりの加速エ
ネルギーを２０ＫｅＶに調整してイオン８を照射した。
イオン８の加速エネルギーは、イオン１個当たり４０Ｋ
ｅＶ以下が好ましい。４０ＫｅＶを超えた場合には、照
射イオンにより成形型基体１の損傷が過大になるので好
ましくない。また、イオン照射量は５×１０¹⁷ｉｏｎｓ
／ｃｍ²以上、５×１０¹⁸ｉｏｎｓ／ｃｍ²以下とす
る。

【００１６】その後、成形型基体１のプレス成形面１ｂ
に対して、蒸発源３を用いて、ハフニウム元素を含有す
る物質９を蒸着する。この物質９としては、窒化ハフニ
ウム（ＨｆＮ）が良好である。以後、窒素イオンを含有
するイオン８の照射と、ハフニウム元素を含有する物質
９の蒸着とを交互に繰り返す。これにより、プレス成形
面１ｂに、図２に示すように窒化ハフニウム（ＨｆＮ）
を含有する薄膜１ａが形成され、また、蒸着物とイオン
との衝突、反跳により、成形型基体１の構成元素である
ＷＣとＨｆ、Ｎの混合層３０が成形型基体１とＨｆＮ含
有薄膜１ａとの界面に形成される。これによりＨｆＮを
含有した薄膜１ａは成形型基体１との密着性が向上す
る。

【００１７】かかる薄膜１ａの形成においては、薄膜１
ａ内に含有されるハフニウムと窒素の元素組成（Ａｌ／
Ｎ組成比）が１に近づくように、膜厚モニタ５並びにイ
オン電流測定器６によって成膜中のハフニウム元素を含
有する物質９の蒸着量と、窒素イオン８を含有するイオ
ンの照射量を適宜調整する。

【００１８】このような成形型基体１では、ＨｆとＮが
単体で存在するのに加えて、イオン８中の窒素イオンと
物質９中の蒸着ハフニウム原子との衝突によって、蒸着
ハフニウム原子が励起され、ＨｆＮ含有の薄膜１ａがで
きる。ＨｆＮは高温下でも安定であり、このＨｆＮを含
有した薄膜１ａによって被覆された型は、光学ガラス材
料と高温下でも、反応、融着することがない等の特徴を
有する。

【００１９】なお、成形型基体１を支持するホルダ２を
水冷することによってＨｆＮ含有薄膜成膜中の成形型基
体１を冷却することができ、これにより成膜中の成形型
基体１の熱変形をさらに防ぐことが可能となる。このよ
うに成膜中に成形型基体１が冷却されることによって
も、ＨｆＮ含有薄膜１ａと成形型基体１との密着性及び
Ｈｆ／Ｎ組成比は変化することがない。

【００２０】このようにして得られた光学素子成形用型
５０は、そのプレス成形面１ｂがガラスと反応しにくい
窒化ハフニウムを含有する薄膜１ａによって形成されて
いるため、ガラスが成形用型５０に融着することがな
い。また、成形型基体１のプレス成形面１ｂには、Ｈｆ
Ｎ膜成膜前に注入されたイオンが分布しており、しか
も、これらの界面には母材（ＷＣ）と薄膜（ＨｆＮ）の
構成原子（Ｈｆ，Ｎ）よりなる混合層３０が形成されて
いる。このため、密着性の高い窒化ハフニウム含有薄膜
１ａを成形型基体に形成でき、薄膜の剥離が発生するこ
とがなくなる。

【００２１】この実施の形態では、成形型基体１に対し
て最初に窒素イオンを含有するイオン８を照射した後
に、ハフニウム元素を含有する物質９を蒸着し、以後、
イオン８の照射と、物質９の蒸着を繰り返したが、成形
型基体１１に対して最初に物質９を蒸着し、その後、イ
オン８を照射し、以後、物質９の蒸着、イオン８の照射
を繰り返してもよい。

【００２２】この場合、最初に物質９が蒸着されたとき
に、成形型基体１と物質９の膜との間に界面が生じてい
るが、物質９の膜の上にイオン８を照射して注入するこ
とによりＨｆＮを含有する薄膜が形成されるとともに、
界面には上述と同様のＷＣ，Ｈｆ，Ｎの混合層が形成さ
れるため、上述と同様な作用効果を有している。

【００２３】さらには、成形型基体１に対して窒素イオ
ンを含有するイオン８の照射とハフニウム元素を含有す
る物質９の蒸着とを、最初から同時に行っても良い。こ
の場合には、成形型基体１に、ＨｆＮ含有薄膜が直接に
成膜されるとともに、界面には上述と同様のＷＣ，Ｈ
ｆ，Ｎの混合層が形成されるため、上述と同様の作用効
果を有している。

【００２４】［実施の形態２］この実施の形態では、成
形型基体を炭化珪素（ＳｉＣ）よりなるセラミックスで
作成した。すなわち、図３に示すように、炭化珪素（Ｓ
ｉＣ）よりなるセラミックスを用い、所定の曲率半径
（７２ｍｍ）の凹面形状のプレス成形面１４を有した上
型基体１１と、所定の形状（非球面）の凹面形状のプレ
ス成形面１５を有した下型基体１２を作成した。そし
て、これらの型基体１１，１２のプレス成形面１４，１
５をダイヤモンド砥粒等を用い、Ｒｍａｘ＝０．０３μ
ｍの表面粗さとなるように鏡面研磨した。

【００２５】次に、この成形型基体１１，１２を図１に
示す装置内に収納し、真空度５×１０^-6ｔｏｒｒ以下の
高真空まで真空容器７を排気した。その後、成形型基体
１１，１２のプレス成形面１４，１５に窒素イオン８を
１個当たり１０ＫｅＶの加速エネルギーで５×１０¹⁷ｉ
ｏｎｓ／ｃｍ²照射した。

【００２６】次に物質９として、純度９９．９％よりな
るハフニウム単体を選び、この物質９を蒸発源３から蒸
発させることにより、プレス成形面１４，１５にハフニ
ウム薄膜を形成した。さらに、このハフニウム薄膜の蒸
着と同時に、イオン源４に純度９９．９９９％の窒素ガ
スを導入し、真空容器２内の真空度を６×１０^-5ｔｏｒ
ｒとした状態で、窒素イオン８をハフニウム薄膜に照射
した。これらの操作においては、形成される最終膜のＨ
ｆ／Ｎ組成比が１になるように、窒素イオン８の加速エ
ネルギー、照射量、並びにハフニウムの蒸発量を調整し
た。このようにしてプレス成形面１４，１５に被覆した
ＨｆＮ含有薄膜の膜厚は４μｍであった。

【００２７】以上にようにして作成された上下の光学素
子成形用型５１，５２を用い、硝材としてＳＫ１１（点
移転温度：５３５℃、軟化点温度：６３９℃）のプリフ
ォーム１３を押圧成形した。プレスの条件は、硝材を６
３０℃まで加熱軟化し、上下の型間に搬送して、型温度
５００℃、プレス荷重２００ｋｇ／ｃｍ²で行った。こ
のプレス工程を３０，０００回繰り返し、使用後の光学
素子成形型５１，５２のプレス面１４，１５の表面粗さ
を測定したが、実質上当初のままであった。

【００２８】［実施の形態３］図４は光学素子成形用型
の製造装置を示し、真空容器２４内にホルダ１７が設け
られ、このホルダ１７に、窒化珪素からなるセラミック
スで形成された成形型基体１６が支持されている。ま
た、この成形型基体１６に対し、窒素イオン２３を照射
するイオン源１９と、ハフニウムイオン２２を照射する
イオン源１８とが真空容器２４に挿入されている。イオ
ン源１８，１９の方式は特に限定されるものではなく、
例えば、カウフマン型、バケット型等のものを使用して
も良い。さらにイオン源１８から照射されたハフニウム
イオン２２の個数を計測するイオン電流測定器２０ｂ
と、イオン源１９から照射された窒素イオン２３の個数
を計測するイオン電流測定器２０ａとがホルダ１７の周
囲に配置されている。真空容器２４には所定の圧力に減
圧する真空ポンプ２１が連結されている。

【００２９】光学素子成形用型を製造する場合は、まず
成形型基体１６をホルダ１７に支持した後、真空容器２
４内を１×１０^-5ｔｏｒｒ以下の高真空に排気する。そ
して、成形型のプレス成形面３４にイオン源１９より窒
素イオン２３を照射すると同時に、イオン源１８よりハ
フニウムイオン２２を照射する。プレス成形面３４に照
射されるイオン１個当たりの加速エネルギーは、窒素、
ハフニウムともにイオン１個当たり４０ＫｅＶ以下が好
ましい。４０ＫｅＶを超えた場合には、照射イオンによ
る成形型基体１６の損傷が過大になるので好ましくな
い。この実施の形態では、窒素イオン２３の加速エネル
ギーは、１個当たり２０ＫｅＶ、ハフニウムイオン２２
の加速エネルギーは１個当たり３０ＫｅＶで行った。ま
た、イオン照射量は両イオン共に５×１０¹⁷ｉｏｎｓ／
ｃｍ²以上、５×１０¹⁸ｉｏｎｓ／ｃｍ²以下とした。
なお、窒素イオン２３とハフニウムイオン２２を同時に
照射することなく、これらのイオンを交互に照射しても
良い。

【００３０】以上の手順により製造された図５に図示す
る光学素子成形用型５３は、成形型基体１６のプレス成
形面３４が窒素イオン２３の照射及びハフニウムイオン
２２の照射で改質され、プレス成形面３４付近が窒化ハ
フニウム（ＨｆＮ）と同じ組成比を有した物質になる。
また、イオンの衝突、反跳により成形型基体１６の構成
原子内にハフニウム原子及び窒素原子が拡散した拡散層
３３が形成されるため、界面が存在しない成形面３４が
成形型基材１６に形成される。このとき形成されるプレ
ス成形面３４に含有されるハフニウムと窒素の原子数比
（Ｈｆ/ Ｎ組成比）が１に近づくように、ハフニウムイ
オン２２の照射量と、窒素イオン２３の照射量を適宜調
整する。このＨｆ／Ｎ組成比の調整は、イオン電流測定
器２０ａ，２０ｂによって行うものである。

【００３１】なお、成形型基体１６を支持するホルダ１
７を水冷等で冷却することによってイオン注入中の型基
体１６を間接的に冷却することが可能で、これによりイ
オン注入中の成形型基体１６の熱変形をさらに防ぐこと
ができる。このような成形型基体１６が冷却されること
によっても、ＨｆＮ含有成形面と成形型基体１６との密
着性及びＨｆ／Ｎ組成比は変化することがない。

【００３２】尚、本実施の形態では、成形型基体１６と
してＳｉＮを用いたが、ハフニウムイオン２２及び窒素
イオン２３は成形型基体１６の材質を問わずに注入する
ことができるため、高強度である、高温に強い、ヒート
サイクルに強い等、光学素子成形型の基体として必要な
性質を有していれば、どの様な素材を用いても良い。

【００３３】このようにして得られた光学素子成形用型
５３は、そのプレス成形面３４がガラスと反応しにくい
窒化ハフニウム２２を含有した物質で形成されるため、
ガラスが融着することがなくなる。この窒化ハフニウム
含有物質の組成分布は深さ方向に傾斜しており、深くな
るほど基材である窒化珪素の組成が増えてくる。これに
対し、成形面はほぼＨｆＮのみとなっており、窒化珪素
は存在しない。このため、密着性の高い窒化ハフニウム
（ＨｆＮ）含有プレス成形面が形成できるため、プレス
成形面に剥離等の損傷、劣化が発生することがなくな
る。また、ハフニウムイオン２２及び窒素イオン２３は
成形型基体１６の材質を問わずに注入することができる
ため、成形型基体の材質に制限がない。

【００３４】［実施の形態４］この実施の形態では、成
形型基体２５，２６をジルコニア（ＺｒＯ₂）を主成分
とするセラミックスで作成した。すなわち、図６に示す
ように、ジルコニアを主成分とするセラミックスを用
い、所定の曲率半径（６０ｍｍ）の凸面形状のプレス成
形面２７を有した上型基体２５と、所定形状（非球面）
の凹面形状のプレス成形面２８を有した下型基体２６を
作成し、これらの型基体２５，２６のプレス成形面２
７，２８をダイヤモンド砥粒等を用い、Ｒｍａｘ＝０．
０４μｍの表面粗さとなるように鏡面研磨した。

【００３５】次に、これらの型基体２５，２６を図４に
示す装置内に収納し、真空度２×１０^-6ｔｏｒｒ以下の
高真空まで真空容器２４を排気した。その後、成形型基
体２５，２６のプレス成形面２７，２８に窒素イオン２
３を１個当たり１０ＫｅＶの加速エネルギーで５×１０
¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²照射し、ハフニウムイオン２２を１
個当たり１５ＫｅＶの加速エネルギーで５×１０¹⁷ｉｏ
ｎｓ／ｃｍ²照射した。この場合、形成される最終成形
面のＨｆ/ Ｎ組成比が１になるように、窒素イオン２３
の加速エネルギー、照射量、並びにハフニウムイオン２
２の加速エネルギー、照射量を調整した。被覆したＨｆ
／Ｎ単体およびＨｆＮを含有したプレス成形面２７，２
８及び混合層を含む全体の厚みは８００Åであった。

【００３６】得られた光学素子成形用型５４，５５を用
いて、硝材としてＬａＳＦ３（転移点温度：７３０℃、
軟化点温度：８０８℃）のプリフォーム２９を押圧成形
した。プレス条件は、硝材を８００℃まで加熱軟化し、
型２６，２７間に搬送し、型温度６８０℃、プレス荷重
２２０ｋｇ／ｃｍ²で行った。このプレス工程を３０，
０００回繰り返し、使用後の型のプレス成形面２７，２
８の表面粗さを測定したが、実質上当初のままであっ
た。

【００３７】

【発明の効果】請求項１の発明の光学素子成形用型は、
高温下においてもガラス材料との反応や融着がなく安定
した窒化ハフニウム含有薄膜がプレス成形面に被覆され
ると共に、この薄膜と成形型基体との界面に、ハフニウ
ム元素、窒素元素及び成形型基体の混合層が形成されて
薄膜の密着性が向上している。このため、薄膜が剥離す
ることがなく、高温での耐久性に優れると共に、良好な
離型性を有している。

【００３８】請求項２の発明の製造方法は、ハフニウム
元素を含有する物質の真空蒸着及び窒素元素を含有する
イオンの照射を成形型基体のプレス成形面に対して行う
ため、ハフニウム元素、窒素元素及び成形型基体が混合
した混合層を形成できると共に、この混合層上に窒化ハ
フニウムを含有した薄膜を形成できる。

【００３９】請求項３の光学素子成形用型は、プレス成
形面に形成される拡散層が窒素ハフニウムの原子数比と
略同比率となっているため、窒化ハフニウムと同様な特
性を有する。このため、高温においてもガラス材料に対
して安定であり、融着や剥離が生じることがなく、耐久
性、離型性が良好となる。

【００４０】請求項４の製造方法は、ハフニウム元素と
窒素元素の注入量比率が窒化ハフニウムの原子数比と略
同じとなるようにイオン照射するため、窒化ハフニウム
と略同等な拡散層を形成できる。また、蒸着を行わない
ため、蒸着の密着性を考慮する必要がなく、成形型基体
の材質選択の自由度が増大する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１及び２に使用される製造
装置の断面図である。

【図２】実施の形態１の光学素子成形用型の断面図であ
る。

【図３】実施の形態２の光学素子成形用型の断面図であ
る。

【図４】実施の形態３及び４に使用する製造装置の断面
図である。

【図５】実施の形態３の光学素子成形用型の断面図であ
る。

【図６】実施の形態４の光学素子成形用型の断面図であ
る。

【符号の説明】

１成形型基体１ａ薄膜１ｂ界面３０混合層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プレス成形面を有する成形型基体と、前
記プレス成形面に形成された窒化ハフニウムを含有する
薄膜と、この薄膜と成形型基体との界面に形成された成
形型基体とハフニウム元素と窒素元素との混合層とを備
えていることを特徴とする光学素子成形用型。
【請求項２】ハフニウム元素を含有する物質の真空蒸
着及び窒素元素を含有するイオンの照射を、成形型基体
のプレス成形面に対して同時に、又は交互に行うことを
特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
【請求項３】窒化ハフニウムの原子数比と略同比率と
なっているハフニウム元素及び窒素元素の拡散層が成形
型基体のプレス成形面に形成されていることを特徴とす
る光学素子成形用型。
【請求項４】成形型基体のプレス成形面に注入される
ハフニウム元素と窒素元素との比率が窒化ハフニウムの
原子数比と略同比率となるように、ハフニウム元素を含
有するイオンの照射及び窒素元素を含有するイオンの照
射を、プレス成形面に対して同時に、又は交互に行うこ
とを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。