模压成型模具及其制造方法以及玻璃光学元件的制造方法

模压成型模具及其制造方法以及玻璃光学元件的制造方法
【专利摘要】本发明提供模压成型模具、其制造方法及使用其的玻璃光学元件的制造方法。模压成型模具的制造方法能够成型出外观缺陷少的透镜，模压成型模具具有包含由薄膜形成装置成膜出的碳膜的离型膜。该制造方法为具有离型膜的模压成型模具的制造方法，该离型膜包含碳膜，该碳膜通过下述方式成膜，即：利用真空电弧放电在碳阴极上生成碳等离子体，从碳等离子体中只取出离子化后的碳，将所述离子化后的碳照射到被成膜面上而成膜，该制造方法包括：在被成膜面上一边施加第1偏置电压V1（V）一边成膜出厚度为d1（nm）的第1碳膜的工序；以及在第1碳膜上一边施加第2偏置电压V2（V）一边成膜出形成最外层的厚度为d2（nm）的第2碳膜的工序，所述第1和第2偏置电压V1、V2以及所述厚度d1、d2满足V1>V2且d1>d2。
【专利说明】模压成型模具及其制造方法以及玻璃光学元件的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及在通过压力成型制造透镜等光学元件时使用的、具有离型膜的模压成型模具的制造方法以及该模压成型模具。详细地，涉及如下所述的模压成型模具的制造方法和该模压成型模具，该模压成型模具能够成型出外观缺陷少的透镜，且具有包含碳膜的离型膜，该碳膜通过如下方式成膜:通过真空电弧放电在碳阴极上生成碳等离子体，从碳等离子体中只取出离子化后的碳，向被成膜面照射离子化后的碳即该碳等离子体，由此进行成膜。
【背景技术】
[0002]精密压力成型法也称作光模成型法，是这样的方法:通过将压力成型模具的成型面精密地转印到玻璃上，由此，通过压力成型形成光学功能面，例如以透镜为例，形成非球面透镜的非球面或球面透镜的球面等透镜面。即，由于不需要为了做成光学功能面而进行研削或研磨等机械加工，因此，能够以高生产性制造光学元件，尤其是非球面透镜。
[0003]在现有技术中，提出了如下方案:作为在这种方法中使用的成型模具的模具材料，使用了以SiC、超硬合金、不锈钢等金属以及陶瓷为代表的各种材料，为了改善成型模具与玻璃的离型性，在成型模具上设置了含碳膜、贵重金属合金膜等离型膜。设置了在内部还包含有钻石状碳膜、氢化非晶态碳膜(a-c:H膜)、硬质碳膜、四面体非晶态碳膜(taC膜)等碳膜的离型膜的成型模具具有离型性好、难以与玻璃发生融接的优点。
[0004]然而，在反复进行模压成型操作的过程中，这样的碳膜发生磨损，无法获得足够的成型性能，在耐久性方面存在问题。因此，为了改善离型膜的耐久性，提出了在成型时使用硬度不易下降的膜。
[0005]例如，在专利 文献I (日本特开2012-12286号公报)中公开了在光学元件成型用模具的型母材上，通过过滤阴极真空电弧法(Filtered Cathodic Vacuum Arc法，以下称作FCVA法)成膜出taC膜的内容。FCVA法是从碳电极的电弧放电中只取出能量一致的电荷粒子，在基板上形成均质且高密度的薄膜的方式。根据该方法，能够获得通过接合不含氢的高强度的sp3而成的taC膜。
[0006]此外，专利文献2 (日本特开2009-199637号公报)中公开了通过过滤阴极电弧法(Filtered Cathodic Arc法，以下称作FCA法),在磁记录介质上形成taC膜的内容。在FCA法中，在阴极上使用纯石墨祀，通过电弧放电在靶上产生电弧，生成碳等离子体，通过负偏置等向基体引入等离子体中的离子，形成碳膜。在通过这种方法成膜的碳膜中，由于相对于sp2成分，sp3成分的比率变高，因此，能够获得硬且坚固的碳膜。
[0007]此外，FCVA法和FCA法是以不同的名称表示的相同的制法。虽然作为同样的名称，存在过滤真空电弧法(Filtered Vacuum Arc法，以下称为FVA法)、过滤电弧沉积法(Filtered Arc Deposition法，以下称作FAD法)等,不过,这些都是相同的制法。通过该制法来成膜的碳膜，sp3成分的比率变高，因此，获得高硬度的碳膜。
[0008]【现有技术文献】[0009]【专利文献】
[0010]【专利文献I】日本特开2012-12286号公报
[0011]【专利文献2】日本特开2009-199637号公报
[0012]然而，在使用形成有通过前述的FCVA法等成膜的taC膜的成型模具，对被成型玻璃进行压力成型，从而成型出光学元件的情况下，存在这样的问题:在成型后的光学元件上，产生发泡、瑕疵、白浊等外观缺陷，产出率下降。

【发明内容】

[0013]本发明正是为了解决具有通过FCVA法等形成的碳膜的成型模具所特有的上述问题而做出的，其目的在于，提供一种能够成型出外观缺陷少的透镜的模压成型模具的制造方法，该模压成型模具具有包含碳膜的离型膜。
[0014]发现在基于下述方式的碳膜的成膜中，通过一边施加特定的偏置电压一边成膜出至少由2层构成的碳膜的制造方法，能够获得抑制发泡和瑕疵等外观缺陷的离型膜，上述方式为:通过真空电弧放电在碳阴极上生成碳等离子体，从碳等离子体中只取出离子化后的碳，将离子化后的碳照射到被成膜面上。
[0015]即本发明体提供了一种制造方法，其为具有离型膜的模压成型模具的制造方法，该离型膜包含碳膜，该碳膜通过下述方式成膜，即:利用真空电弧放电在碳阴极上生成碳等离子体，从碳等离子体中只取出离子化后的碳，将所述离子化后的碳照射到被成膜面上而成膜，其中，该制造方法包括:在被成膜面上一边施加第I偏置电压V1 (V) —边成膜出厚度为Cl1 (nm)的第I碳膜的工序；以及在第I碳膜上一边施加第2偏置电压V2 (V) 一边成膜出形成最外层的厚度为d 2(nm)的第2碳膜的工序，第I和第2偏置电压以及厚度屯、d2 满足 V1M2 且 Cl1M2。
[0016]根据本发明，能够提供一种具有离型膜的模压成型模具的制造方法，该离型膜包含碳膜，该模压成型模具能够成型出外观缺陷少的透镜。
【专利附图】

【附图说明】
[0017]图1是用于说明在基于FCVA法的成膜工序中使用的离型膜形成装置100的仪器结构的图。
[0018]图2是示出实施例1的离型膜的结构的图。
[0019]图3是示出探讨例I的离型膜的结构的图。
[0020]图4是示出探讨例2的离型膜的结构的图。
[0021]图5是示出实施例7的离型膜的结构的图。
[0022]具体实施例方式
[0023]以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行详细地说明。此外，对图中相同或者相应部分标注同一符号，并不再重复对其的说明。
[0024]在本发明中，通过真空电弧放电在碳阴极上生成碳等离子体，从碳等离子体中只取出离子化后的碳，将离子化后的碳照射到被成膜面上，由此，成膜出碳膜。
[0025]在本发明中，碳阴极优选为石墨制，更优选为纯石墨制的阴极。
[0026]在本发明中，按照常规方法进行真空电弧放电。[0027]进一步地，在本发明中，在从碳等离子体只取出离子化后的碳的方法中，包含通过磁场过滤等，不过只要是能够过滤在产生碳等离子体的同时产生的、使膜质下降的熔滴的方法就可以，没有特别地限定。
[0028]作为上述那样的成膜方法,能够列举出过滤阴极真空电弧法(Filtered CathodicVacuum Arc法，以下称作FCVA法)、过滤阴极电弧法(Filtered Cathodic Arc法，以下称作FCA法)、过滤真空电弧法(Filtered Vacuum Arc法，以下称为FVA法)以及过滤电弧沉积法(Filtered Arc Deposition 法，以下称作 FAD 法)等。
[0029]例如，FCVA法是如下方法:将石墨制的阴极作为靶，通过真空电弧放电产生碳等离子体，通过电磁的空间过滤器只取出离子化后的碳，通过在基材上施加负的偏置电压，将离子化后的碳引入到基材上，形成碳膜。
[0030]这里，电磁的空间过滤器是如下的过滤器:在无法直接看到阴极的位置配置有基材，即在阴极和基材不处于直线上的位置配置有基材，使从阴极产生的等离子体出现电磁弯曲或弯转，由此，能够过滤在等离子体的输送中在产生碳等离子体的同时产生的、使膜质降低的熔滴。
[0031]根据本发明的方法，具有如下优点:能够在室温下成膜，获得的碳膜不包含氢，氢是在加热时膜的硬度下降的原因 ，获得的碳膜具有可控制的高硬度，具有平滑的表面。
[0032]以下对本发明的碳膜的成膜工序的I方式进行说明。
[0033]图1是用于说明使用FCVA法的离型膜形成装置100的仪器结构的图。参照图1，该形成装置100在真空腔I内具有支撑板10和作为被成膜物的成型模具20。这里，支撑板10由铝合金等导电性材料构成。
[0034]用于通过FCVA法成膜出四面体非晶态碳膜(taC膜)的真空电弧电源2、电弧等离子体生成室3、等离子体输送管4以及过滤器线圈5与真空腔I连接。
[0035]电弧等离子体生成室3包含真空电弧蒸发源，该真空电弧蒸发源通过真空电弧放电使阴极蒸发，生成包含阴极物质的等离子体。等离子体输送管4呈弯曲形状，连接设置在电弧等离子体生成室3与真空腔I之间，在输送管4的周围缠绕有形成磁场的过滤器线圈5。
[0036]接着，对使用该装置将taC膜成膜在成型模具20的成膜工序进行以下说明。
[0037]在真空腔I内，成型模具20配置为使被成膜面的法线方向与通过过滤器线圈5而产生偏向后的离子化后的碳7的行进方向平行。通过真空泵(未图示)进行排气，使得真空腔I内的到达真空度达到IXlO-4Pa以下为止。接着，通过真空电弧电源2，在电弧等离子体生成室3中生成碳等离子体，进行控制，使得过滤器线圈5上流过所期望的电流，只提取离子化后的碳7。进一步地，进行控制，使得过滤器线圈5上流过所期望的电流，对离子化后的碳7进行扫描，在配置在支撑板10上的成型模具20的成型面(被成膜面)上形成一样的taC薄膜。此外，通过向支撑板10和成型模具20施加偏置电压，能够使构成taC膜的离子粒子的能量级变化。
[0038]通过向支撑板10和成型模具20施加的偏置电压，能够对通过FCVA法形成的膜的硬度进行调整，在约-100V的偏置电压下显示出最高的硬度，当降低偏置电压时，硬度下降。
[0039]在本发明中，采用如下结构:形成在偏置电压的绝对值小的负偏置电压下成膜的高硬度膜(第I碳膜)作为基础层，在其上形成比基础层薄的、在偏置电压的绝对值大的负偏置电压下成膜的低硬度膜(第2碳膜)作为最外层，通过采用该结构，玻璃对离型膜的跟随性发生变化，从玻璃内部向外部释放的气体易于向模具外周部排放，抑制发泡等外观缺陷的发生。
[0040]因此，本发明的成膜工序包括:在被成膜面上，一边施加第I偏置电压V1 (V)—边成膜出厚度为cMnm)的第I碳膜的工序，以及在第I碳膜上，一边施加第2偏置电压V2(V)一边成膜出形成最外层的、厚度为(12 (nm)的第2碳膜的工序。通过使施加的电压变化，可以连续地进行形成第I碳膜的工序和形成第2碳膜的工序。
[0041]在本发明中，第2偏置电压V2 (V)比第I偏置电SV1 (V)低。
[0042]第I 偏置电SV1 (V)优选为-400 ^ V1 ^ -10，更优选为-150 ^ V1 ^ -10。
[0043]第2偏置电压V2 (V)优选为V2兰-1100，更优选为V2兰-1200。此外，第2偏置电压V2 (V)优选为V2 ^ -4000，更优选为V2 ^ -3000，进一步优选为V2 ^ -2500。
[0044]在上述优选的范围中，抑制了发泡、瑕疵、白浊等外观缺陷的产生。
[0045]在本发明中，第I碳膜的厚度(I1 (nm)比第2碳膜的厚度d2 (nm)厚。
[0046]第I碳膜的厚度(I1 (nm)优选为(I1 ^ 10,更优选为(I1 ^ 20。此外,第I碳膜的厚度Cl1 (nm)优选为Cl1含1000，更优选为(I1含300。
[0047]第2碳膜的厚度d2 (nm)优选为d2 ^ 7,更优选为d2兰10。此外,第2碳膜的厚度d2 (nm)优选为d2含2 00，更优选为d2含100。
[0048]在上述优选的范围中，抑制了发泡、瑕疵、白浊等外观缺陷的产生。
[0049]为了确保成型模具20与离型膜之间的密接性，防止加压时的离型膜的剥离，本发明的成型模具的制造方法可以包括在第I碳膜与成型模具20之间还形成粘结层的工序。可以根据与成型模具20的材料之间的关系适当选择粘结层，在成型模具20为SiC的情况下，能够通过FCVA法，从被成膜面侧形成由第I层和第2层这两层构成的粘结层，其中，第I层如下:偏置电压为-1500~-1000V、膜厚为5~15nm ;第2层如下:偏置电压为-1000~-300V、膜厚为10~30nm。例如，形成由第I层和第2层这两层构成的粘结层，其中，第I层如下:偏置电压为-1200V、膜厚为IOnm;第2层如下:偏置电压为-900V、膜厚为 20nm。
[0050]此外，在本发明中，粘结层不限定为2层，也可以为单层或3层以上，通过设置粘结层，来提高成型模具20与第I碳膜之间的密接强度。
[0051 ] 在本发明中，模压成型模具优选用于玻璃光学兀件成型。
[0052]本发明的模压成型模具进一步优选为在通过光模成型法制造玻璃光学元件时使用。
[0053]光模成型法是这样的方法:通过将压力成型模具的成型面精密地转印到玻璃上，由此，通过压力成型形成光学功能面，例如以透镜为例，形成非球面透镜的非球面或球面透镜的球面等透镜面。即，由于不需要为了做成光学功能面而进行研削或研磨等机械加工，因此，能够以高生产性制造光学元件，尤其是非球面透镜。
[0054]在本发明中，作为玻璃光学元件的种类，可以示例出球面透镜、非球面透镜等透镜、棱镜、衍射光栅等。作为透镜的形状，可以示出双凸透镜、平凸透镜、双凹透镜、平凹透镜，凸型凹凸透镜，凹型凹凸透镜等各个形状。此外，关于透镜的大小没有特别限制，适合于从小口径的透镜到加工困难的中大口径的透镜的成型。
[0055]在本发明中，在模压成型模具中，将包含通过上述成膜工序成膜的碳膜的离型膜设置在模具材料的成型面上。例如，在通过光模成型法制造玻璃光学元件时使用的模压成型模具的情况下，将离型膜设置在与被成型玻璃相接的上模和下模的成型面上。此外，根据光学元件的形状，除了采用上模、下模以外，还采用称为套筒的筒来作为上下模的支撑件，不过，套筒内壁的与被成型玻璃接触的面上也设置有离型膜。
[0056]虽然作为本发明的模压成型模具的模具材料，列举了 SiC (碳化硅)，不过，并不限于此，也可以使用以WC (碳化钨)等为主要成分的超硬合金、不锈钢等金属、各种陶瓷等。
[0057]本发明包含使用如上所述制造的模压成型模具，对被成型玻璃进行压力成型，制造玻璃光学元件的玻璃光学元件的制造方法。
[0058]在对玻璃光学元件进行压力成型的情况下，可以采用公知的光模成型法。例如，将加热到规定温度的玻璃坯料供给到包含上模和下模的成型模具内之后，或者，将常温的玻璃坯料配置到成型模具内，与成型模具一起将玻璃坯料加热到规定温度后，向成型模具施加负荷，开始玻璃坯料的压力成型。不久，通过上模和下模，玻璃坯料变形为所期望的形状后，进行成型模具和玻璃坯料的冷却。然后，在降温到玻璃转变点或者玻璃转变点以下的温度后，将已成型的玻璃光学元件从成型模具中取出，由此，能够制造玻璃光学元件。
[0059]这里，对本发明的碳膜的硬度进行说明。
[0060]在本发明中，第2碳膜的通过纳米压痕法测定的硬度(以下，称为“纳米压痕硬度”)为30GPa以下，且第I碳膜的纳米压痕硬度比第2碳膜的纳米压痕硬度高。
[0061]在本发明中，使用了纳米压痕硬度装置ENT-2100 (工U才二夕7 (EL10NIX)公司制造)来测定纳米压痕硬度 。由于本方式是将压头对试料的压入深度换算为硬度的方式，因此，在试料的膜厚薄的情况下，硬度成为受基材影响的值。因此，在SiC基板上形成相对于压入深度足够厚的IOOnm的膜厚的碳单层膜作为试料。在测定中，作为压头，使用了末端棱间角为115°的三角锤型金刚石制压头(伯克维奇(Berkovich)压头)。使三角锤型金刚石制压头呈直角地接触试料表面，在负荷为IOmgf、施加时间为10秒、保持时间为I秒、除去负荷时间为10秒的条件下逐渐地施加负荷，达到最大负荷后，将负荷逐渐恢复到O。计算出将此时的最大负荷P除以压头接触部的接触投影面积A后得到的值P/A作为纳米压痕硬度(H)。
[0062]详细的原理记载在if ) i y r'y^ >法tc J: 3簿膜Q機械的特性評価(基于纳米压痕法的薄膜的机械特性评价)》(R&D KOBE STEEL ENGINEERING REPORTS Vol.52N0.2)。
[0063]在本发明中，第2碳膜的动摩擦系数为0.2以下，且第I碳膜的动摩擦系数比第2碳膜的动摩擦系数大。
[0064]采用往复式动摩擦系数测定器评价动摩擦系数。具体地,使用玻璃作为接触头,使施加到接触头的负荷为5mgf，使样品的滑动速度为0.15mm/秒,从而进行测定。
【实施例】
[0065]在探讨使用具有实施例1的离型膜的成型模具的压力成型体的外观评价前，首先说明对模压成型模具形成离型膜的工序。[0066](使用FCVA方式的成膜工序)
[0067]将由SiC构成的成型模具20洗浄后，设置到FCVA装置(型号MTCS_7B，Nano FilmTechnologies International PTE.,LTD.(Singapore))内，在以下的条件下，进行了离子
束刻蚀。
[0068]
【权利要求】
1.一种具有离型膜的模压成型模具的制造方法，该离型膜包含碳膜，该碳膜通过下述方式成膜，即:利用真空电弧放电在碳阴极上生成碳等离子体，从所述碳等离子体中只取出离子化后的碳，将所述离子化后的碳照射到被成膜面上而成膜，其中，该制造方法包括: 在被成膜面上一边施加第I偏置电压V1 —边成膜出厚度为Cl1的第I碳膜的工序；以及 在所述第I碳膜上一边施加第2偏置电压V2 —边成膜出形成最外层的厚度为d2的第2碳膜的工序， 所述第I偏置电压V1和所述第2偏置电压V2以及所述厚度Cl1、所述厚度d2满足U且(I1)Cl2O
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述第2偏置电压V2为-1100V以下，且所述厚度d2S7nm以上。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其中，所述第I偏置电压V1为-1OV以下、-400V以上。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的制造方法，其中，该制造方法包括:还在所述第I碳膜与所述模压成型模具之间形成粘结层的工序。
5.一种模压成型模具，其中，该模压成型模具是通过权利要求1至4中的任意一项所述的制造方法来制造的。
6.根据权利要求5所述的模压成型模具，其中，第2碳膜的通过纳米压痕法测定的硬度为30GPa以下，且第I碳膜的通过纳米压痕法测定的硬度比第2碳膜的通过纳米压痕法测定的硬度高。
7.根据权利要求5或6所述的模压成型模具，其中，所述第2碳膜的动摩擦系数为0.2以下，且所述第I碳膜的动摩擦系数比所述第2碳膜的动摩擦系数大。
8.一种玻璃光学元件的制造方法，其中，使用权利要求5至7中的任意一项所述的模压成型模具，对被成型玻璃进行压力成型而制造玻璃光学元件。
【文档编号】C23C14/32GK103708708SQ201310445292
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年9月26日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】小林巧, 西村法一, 田中祐辅, 山本英明, 诸石圭二 申请人:Hoya株式会社