JP2011042525A - 光学ガラス素子成形用金型およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学ガラス素子と保護層表面とが融着したり、光学ガラスが割れたりしない金型の提供。
【解決手段】金型用母材の表面に形成された成形面を逆スパッタリング法によってエッチング処理して、前記成形面の表面粗さ（Ｒａ^１）を０．０１〜５０ｎｍとし、さらにスパッタリング法によって保護層を形成して得た、プレス成形後の光学ガラス素子との離型性に優れる、光学ガラス素子成形用金型。
【選択図】なし

Description

本発明は、光学ガラス素子成形用金型およびその製造方法に関する。

光学ガラス素子のプレス成形では昇温処理および降温処理が行われるため、プレス成形用金型には優れた耐熱性、耐酸化性、高温強度、耐摩耗性、耐ガラス反応性等が要求される。

この要求を満たす成形用金型の母材として、超硬合金（ＷＣ等）等やセラミックスが挙げられる。超硬合金は機械的強度に優れ、不活性雰囲気中での耐酸化性が高い。しかしながら、プレス成形は高温で行われるため、成形用金型の表面と光学ガラス素子とがわずかに反応し酸化して形状精度が低下する。そのため成形用金型の表面を再研磨する必要があるが、母材の材料である超硬合金は非常に固いので、高精度に再研磨するのに非常に手間がかかる。

そこで、超硬合金製金型の成形面に貴金属合金の保護層を形成することが提案されたが、貴金属合金の保護層は、光学ガラス素子のプレス温度で粒成長が起こり、成形面の面精度が低下するため、プレス成形の繰り返し回数に限りがある。また長時間成形サイクルを行うと、母材の成分（ＷＣ等）が貴金属合金の保護層に拡散して、表面で酸化物を形成する。その酸化物が光学ガラス素子中の成分と反応すると、光学ガラスと保護層表面とが融着するおそれがある。

そこで、特許文献１において、炭化珪素からなる基材を所望の光学レンズのほぼ反転形状に研削加工し、得られた研削面をダイヤモンド砥粒と研磨パッドを用いて研磨した後、研磨面にＤＬＣからなる保護膜を形成して得た金型が提案された（実施例１等参照）。特許文献１には、当該金型は光学ガラスの割れや融着を防止できるものであると記載されている。

また、特許文献２では、熱伝導率が１〜２０Ｗ／ｍＫの材料から形成された金型基材の表面に、スパッタ法によるエッチング処理を施し、表面粗さを特定範囲とし、さらにその表面上に、Ｐｔ等の元素を２０〜８０ｍｏｌ％以上含有した過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を形成し、その膜層表面に所定の加工を施すことにより金型光学面を形成したことを特徴とする光学素子用成形金型の製造方法が提案された。特許文献２には、このような製造方法によって製造した金型によれば、高精度に光学素子を成形できると記載されている。また、エッチング処理することで、エッチング前後における金型基材のエッチング面を他物質により汚染する可能性を少なくできると記載されている（００３５段落参照）。

特開２００７−９９５９８号公報 特開２００６−５１７０２号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の金型を用いて成形すると、光学ガラス素子と保護層表面とが融着したり、光学ガラスが割れたりする場合があった。
また、従来、光学ガラス素子成形用金型は、金型用母材を所望の形状に研削し、得られた研削面を研磨した後、研磨面に中間層および保護層を形成して製造するが、このような方法では工程が長いので、工程短縮が望まれる。特に、最近は成形面の面積が大きくなっており研磨工程が長時間を要する傾向があるので、この工程の簡略化が望まれる。

本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討し、本発明を完成させた。
本発明は次の（１）〜（７）である。
（１）金型用母材の表面に形成された成形面を逆スパッタリング法によってエッチング処理して、前記成形面の表面粗さ（Ｒａ^１）を０．０１〜５０ｎｍとし、さらにスパッタリング法によって保護層を形成して得た、プレス成形後の光学ガラス素子との離型性に優れる、光学ガラス素子成形用金型。
（２）前記金型用母材がタングステンを含む合金またはサーメットからなる、上記（１）に記載の光学ガラス素子成形用金型。
（３）前記保護層が白金族元素の少なくとも１つを含む材料からなる、上記（１）または（２）に記載の光学ガラス素子成形用金型。
（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載の光学ガラス素子成形用金型を用いてプリフォームをプレス成形して光学ガラス素子を得る工程を備える、光学ガラス素子の製造方法。
（５）上記（４）に記載の製造方法によって製造した光学ガラス素子。
（６）金型用母材の表面に形成された成形面を逆スパッタリング法によってエッチング処理して、前記成形面の表面粗さ（Ｒａ^１）を０．０１〜５０ｎｍとし、さらにスパッタリング法によって保護層を形成して、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の光学ガラス素子成形用金型を得る、光学ガラス素子成形用金型の製造方法。
（７）金型用母材に保護層が形成された光学ガラス素子成形用金型の再生方法であって、前記光学ガラス素子成形用金型における前記保護層を前記金型用母材から剥離した後、前記金型用母材の表面に形成された成形面を逆スパッタリング法によってエッチング処理して、前記成形面の表面粗さ（Ｒａ^１）を０．０１〜５０ｎｍとし、さらにスパッタリング法によって保護層を形成する、プレス成形後の光学ガラス素子との離型性に優れる光学ガラス素子成形用金型の再生方法。

本発明によれば、光学ガラス素子と保護層表面とが融着したり、光学ガラスが割れたりしない光学ガラス素子成形用金型を提供することができる。また、そのような金型が得られ、工程がより短縮された光学ガラス素子成形用金型の製造方法および再生方法を提供することができる。さらに、その製造方法で得た金型で得られる光学素子を提供することができる。

本発明について説明する。
本発明は、金型用母材の表面に形成された成形面を逆スパッタリング法によってエッチング処理して、前記成形面の表面粗さ（Ｒａ^１）を０．０１〜５０ｎｍとし、さらにスパッタリング法によって保護層を形成して得た、プレス成形後の光学ガラス素子との離型性に優れる、光学ガラス素子成形用金型である。
このような光学ガラス素子成形用金型を、以下では「本発明の金型」ともいう。

また、本発明は、金型用母材の表面に形成された成形面を逆スパッタリング法によってエッチング処理して、前記成形面の表面粗さ（Ｒａ^１）を０．０１〜５０ｎｍとし、さらにスパッタリング法によって保護層を形成して、本発明の金型を得る、光学ガラス素子成形用金型の製造方法である。
このような製造方法を、以下では「本発明の製造方法」ともいう。

本発明の製造方法について説明する。
本発明の製造方法では、初めに金型用母材を用意し、その表面に成形面を形成する。
金型用母材は、高温高圧下で高い機械的強度を有し、光学ガラスのプレス成形に耐え得るものであれば特に限定されず、タングステンを含む合金またはサーメットからなるものであることが好ましい。例えば、ＷＣ、ＴｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＮ、ＳｉＣ、ＺｒＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３およびＣｒ_３Ｃ_２からなる群から選択される少なくとも１つを主成分とし、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏなどを結合材とした焼結体が挙げられる。

前記金型用母材の表面に成形面を形成する方法は特に限定されず、例えば従来公知の方法で形成することができる。例えばダイヤモンド工具を用いた切削、研削加工を施して形成することができる。

次に、金型用母材の表面に形成された成形面を逆スパッタリング法によってエッチング処理して、前記成形面の表面粗さ（Ｒａ^１）を０．０１〜５０ｎｍとする。
逆スパッタリング法の処理条件としては、例えば、前記金型用母材を減圧状態（１Ｐａ程度）であってＡｒを含む雰囲気中に配置し、プラズマ放電を発生させることでＡｒイオンを前記金型用母材における成形面に衝突させて、その表面をエッチングし、表面粗さ（Ｒａ^１）を０．０１〜５０ｎｍとする逆スパッタリング法が挙げられる。逆スパッタリング法を施した後の成形面の表面粗さ（Ｒａ^１）は０．１〜１５ｎｍであることがより好ましく、０．５〜１２ｎｍであることがより好ましく、１〜７ｎｍであることがより好ましく、５ｎｍ程度であることがさらに好ましい。
また、逆スパッタリング法を施す前（直前を意味する）の成形面の表面粗さ（Ｒａ^２）は１０〜１００ｎｍであることが好ましく、１５〜５０ｎｍであることがより好ましい。
また、逆スパッタリング法を施す前と後との成形面の表面粗さの比（Ｒａ^１／Ｒａ^２）が０．０１以上１．０未満であることが好ましく、０．０１〜０．７であることがより好ましく、０．１〜０．５であることがより好ましく、０．２〜０．４であることがより好ましく、０．２４〜０．３４であることがさらに好ましい。
なお、本発明において表面粗さ（Ｒａ^１およびＲａ^２）は、レーザー干渉計を使用して測定して求めた値を意味するものとする。

具体的な逆スパッタリング法としては、例えばＶｄｃ＝−１００〜−１０００V（好ましくは−３００〜−８００V、より好ましくは−５００V程度）の印加電圧で、５〜６０分間（好ましくは３０分間程度）保持して逆スパッタリングを施すことで、研削痕を消し、表面粗さ（Ｒａ^１）が０．０１〜５０ｎｍである成形面を得る方法が挙げられる。

このような逆スパッタリング法を前記金型用母材に形成された成形面に施すと、プレス成形時において、その成形面上またはその成形面に形成された中間層上に形成された保護層の表面と、光学ガラス素子とが融着し難い。また、光学ガラス素子が割れ難い。また、従来の金型製造工程において行っていた研磨工程を行わないので、製造を簡略化することができ好ましい。また、金型用母材が大型の場合（例えば直径が２０〜６０ｍｍ程度の場合）であっても比較的短時間で、成形面を必要な粗さとすることができる。

本発明の製造方法では、上記の逆スパッタリング法を施した後、成形面上に、スパッタリング法にて保護層を形成する。ここで、保護層を形成するためのスパッタリング法における処理条件等は特に限定されず、例えば従来公知の方法で保護層を形成することができる。例えば保護層を形成する材料をターゲットとして配置し、通常のスパッタリング法を適用して形成することができる。

前記保護層の材質は特に限定されないが、白金族元素の少なくとも１つを含む材料であることが好ましい。白金族元素とはＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、ＯｓおよびＩｒを意味する。これらの中でもＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、ＯｓおよびＩｒからなる群から選ばれた少なくとも１つを含む材料であることがより好ましく、Ｐｔおよび／またはＩｒからなる材料であることがさらに好ましい。高硬度であるため、プレス成形を繰り返しても保護層に傷がつき難いためである。

前記保護層の厚さも限定されず、例えば従来公知の保護層を同様であってよい。例えば０．１〜１５μｍであってよく、１μｍ程度であることが好ましい。

本発明の製造方法では、金型用母材の成形面上に中間層を形成し、その上に前記保護層を形成することが好ましい。金型用母材と保護層との密着性が向上するからである。
中間層の形成方法は特に限定されず、真空蒸着法、イオンプレーティング法、プラズマＣＶＤ法などであってもよいが、保護層と同じようにスパッタリング法で形成することが好ましい。逆スパッタ処理、中間層の形成および保護層の形成を連続して行うことができるからである。
中間層は複数存在していてもよい。

前記中間層の材質は特に限定されず、光学ガラス素子の成形温度以上の溶融温度を有する純金属または合金が好ましく、具体的にはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、ＲｅおよびＩｒならびにこれらの合金からなる群から選ばれる少なくとも１つが挙げられる。これらの中でも、低温から高温まで化学的に安定なＮｉおよび／またはＭｏがより好ましい。

前記中間層の厚さも限定されず、例えば従来公知の中間層を同様であってよい。例えば０．０５〜５μｍであってよく、０．５μｍ程度であることが好ましい。

このような本発明の製造方法によって製造できる本発明の金型は、プレス成形時において保護層の表面と光学ガラス素子とが融着し難く、かつ割れ難い。このような異質な効果を奏する理由は不明であるが、逆スパッタリング法を施すことで金型用母材の成形面に何らかの電気的な作用が生じ、それが保護層の表面に影響して、当該保護層と光学ガラス素子との離型性向上および光学ガラス素子の割れ防止に寄与しているものと、本発明者は推定している。

本発明は、上記のような本発明の金型を用いてプリフォームをプレス成形して光学ガラス素子を得る工程を備える、光学ガラス素子の製造方法を提供する。また、このような製造方法によって光学ガラス素子を提供する。
また、本発明は、金型用母材に保護層が形成された光学ガラス素子成形用金型の再生方法であって、前記光学ガラス素子成形用金型における前記保護層（保護層以外の層、例えば中間層が存在すれば当該層も）を前記金型用母材から剥離して、母材を露出させた後、前記金型用母材の表面に形成された成形面を逆スパッタリング法によってエッチング処理して、前記成形面の表面粗さ（Ｒａ^１）を０．０１〜５０ｎｍとし、さらにスパッタリング法によって保護層を形成する、プレス成形後の光学ガラス素子との離型性に優れる光学ガラス素子成形用金型の再生方法を提供することができる。

＜実施例＞
非球面加工機（不二越製、ＡＳＰ１０）を用い、金型用母材（富士ダイス製バインダレスWC）における所定の面を、所望の形状に加工し金型を作成した。得られた金型の成形面における形状誤差量は1μm以下とすることができた。
次に、金型の成形面に、−５００Vの印加電圧にて３０分間の逆スパッタリング法を施した。得られた金型の成型面は研削痕が消失されており、表面粗さ（Ｒａ^１）は５ｎｍであった。なお、逆スパッタリング法を施す直前における成形面の表面粗さ（Ｒａ^２）は１５ｎｍであった。また、表面粗さ（Ｒａ^１、Ｒａ^２）は、レーザー干渉計を使用して測定した。後述する比較例における表面粗さ（Ｒａ^３、Ｒａ^４、Ｒａ^５）も同様の方法で測定した。
次に、DCスパッタリング方法によって、金型の成形面にＮｉからなる厚さ０．１μｍの中間層を成膜した。さらに、その中間層の表面上に、同様の方法によって保護層を成膜した。保護層は、ＰｔとＩｒとが５０：５０（質量比）で混合したものであり、厚さは１μｍであった。
このようして作成した保護層および中間層が付いた金型を、以下では「金型Ａ」という。

＜比較例＞
上記の実施例と同様に、非球面加工機（不二越製、ＡＳＰ１０）を用い、金型用母材（富士ダイス製バインダレスWC）における所定の面を、所望の形状に加工し金型を作成した。得られた金型の成形面における形状誤差量は1μm以下とすることができた。また、成形面の表面粗さ（Ｒａ^３）は２０ｎｍであった。
次に、金型の成形面に機械式研磨を施した。具体的には、樹脂製ボール表面に研磨シートを付けたものによって、粒径１μmのダイヤモンドペーストを用いて研磨した。研磨の結果、得られた金型の成型面は研削痕が消失されており、表面粗さ（Ｒａ^４）は５ｎｍであった。
次に、金型の成形面に、−１００Vの印加電圧にて３分間の逆スパッタリング法を施した。これは、研磨面の有機物な汚れ、最表面に形成された酸化層を取り除き、表面を清浄化し、後に成膜される中間層、保護層などと密着性を向上することを目的とする処理である。この処理によって金型の成形面はエッチングされず、表面粗さ（Ｒａ^５）は５ｎｍのままであった。
次に、上記の実施例と同様に、ＤＣスパッタリング方法によって、金型の成形面にＮｉからなる厚さ０．１μｍの中間層を成膜した。さらに、その中間層の表面上に、同様の方法によって保護層を成膜した。保護層は、ＰｔとＩｒとが５０：５０（質量比）で混合したものであり、厚さは１μｍであった。
このようして作成した保護層および中間層が付いた金型を、以下では「金型Ｂ」という。

上記のようにして得た金型Ａ、金型Ｂの各々を用いてモールドプレス成形を行った。具体的には、金型固定式成形機を用いて、複数のＬ−ＬＡＨ８１ゴブ（株式会社オハラ社製）を６４０℃にてプレス成形した。

この結果、金型Ａを用いた場合は、全てのゴブついて割れなどもなく、外観的にも問題のないレンズを取得できた。また融着も生じなかった。
これに対して、金型Ｂを用いた場合は、１０％のゴブが割れた。また、複数について融着が発生した。

上記のように金型Ａは、逆スパッタリング法を施して、その表面粗さ（Ｒａ^１）を５ｎｍとしたものであり、一方、金型Ｂは、従来法を施して、その表面粗さ（Ｒａ^５）を５ｎｍとしたものである。このような金型Ａと金型Ｂとの比較実験により、表面粗さの値は同一であっても、その表面粗さを得るための処理方法が逆スパッタリング法であると、得られる金型の性能が優れることが確認された。

Claims (7)

1. 金型用母材の表面に形成された成形面を逆スパッタリング法によってエッチング処理して、前記成形面の表面粗さ（Ｒａ^１）を０．０１〜５０ｎｍとし、さらにスパッタリング法によって保護層を形成して得た、プレス成形後の光学ガラス素子との離型性に優れる、光学ガラス素子成形用金型。
2. 前記金型用母材がタングステンを含む合金またはサーメットからなる、請求項１に記載の光学ガラス素子成形用金型。
3. 前記保護層が白金族元素の少なくとも１つを含む材料からなる、請求項１または２に記載の光学ガラス素子成形用金型。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光学ガラス素子成形用金型を用いてプリフォームをプレス成形して光学ガラス素子を得る工程を備える、光学ガラス素子の製造方法。
5. 請求項４に記載の製造方法によって製造した光学ガラス素子。
6. 金型用母材の表面に形成された成形面を逆スパッタリング法によってエッチング処理して、前記成形面の表面粗さ（Ｒａ^１）を０．０１〜５０ｎｍとし、さらにスパッタリング法によって保護層を形成して、請求項１〜３のいずれかに記載の光学ガラス素子成形用金型を得る、光学ガラス素子成形用金型の製造方法。
7. 金型用母材に保護層が形成された光学ガラス素子成形用金型の再生方法であって、
   前記光学ガラス素子成形用金型における前記保護層を前記金型用母材から剥離した後、前記金型用母材の表面に形成された成形面を逆スパッタリング法によってエッチング処理して、前記成形面の表面粗さ（Ｒａ^１）を０．０１〜５０ｎｍとし、さらにスパッタリング法によって保護層を形成する、プレス成形後の光学ガラス素子との離型性に優れる光学ガラス素子成形用金型の再生方法。