JP5877103B2

JP5877103B2 - 光学素子成形用型、光学素子の製造方法、および光学素子成形用型の製造方法

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Description

本発明は、光学素子成形用型、光学素子の製造方法、および光学素子成形用型の製造方法に関する。例えば、ガラスからなる成形材料を加熱プレスして光学素子を成形する光学素子成形用型、光学素子の製造方法、および光学素子成形用型の製造方法に関する。

従来、ガラスを成形する成形用型として、超硬合金を型基材とし、この型基材の成形面に成形後のガラスの離型を容易にするための離型膜を設けたものが実用化されている。離型膜には、貴金属、貴金属合金、炭素等よりなる単層、あるいは複数層の薄膜が用いられている。
一方、このような成形用型によって成形されるガラス成形レンズは、屈折力を高めることにより小型化を図るため、高屈折率のガラス材料が用いられるようになってきた。このような高屈折率のガラス材料は、低屈折率のガラス材料に比べて、成形温度が高くなっている。
このため、成形用型の基材として、より高温での成形に耐えられる炭化ケイ素を用いることが提案されている。しかし、炭化ケイ素を基材として使用し、貴金属系の離型膜を用いる場合、基材と離型膜との密着性が低いため、成形時に離型膜が基材より剥離してしまうという問題があった。
このような成形用型の基材と離型膜との密着性を向上する技術として、特許文献１には、基材が超硬合金であって、離型膜が炭素膜の場合に、基材と離型膜との間に、基材および離型膜の双方に高い密着性を有するクロム（Ｃｒ）やタンタル（Ｔａ）といった中間層膜を設け、この中間層膜上にガスクラスターイオンビーム援用照射下に炭素膜を形成する技術が提案されている。

特開２００５−１６９８１６号公報

しかしながら、上記のような従来の光学素子成形用型には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術のように、成形用型の基材と離型膜との間にクロム（Ｃｒ）やタンタル（Ｔａ）といった中間層膜を設ける場合、離型膜が貴金属系の離型膜では良好な耐久性が得られないという問題がある。
まず、ガラス成形を繰り返すことにより中間層膜成分が離型膜である貴金属層に拡散し、離型膜の組成を変えてしまうため、離型性を損なってしまうという問題がある。
また、中間層膜成分が離型膜に拡散することによって、中間層膜が消耗され、密着性を失ってしまうという問題がある。
このような中間層膜成分の拡散は成形温度が高くなるほど発生しやすくなるため、特に、高屈折率ガラスの成形など、成形温度を高くしなければならない場合に、離型膜の耐久性が低下してしまうという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、離型膜として貴金属系膜を用いた場合であっても、離型膜の耐久性を向上することができる光学素子成形用型および光学素子成形用型の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の光学素子成形用型は、成形品の表面形状に沿う形状の表面を有し、炭化ケイ素からなる基材部と、前記表面から延びた複数のカーボンナノチューブと、該カーボンナノチューブの間に埋められて前記基材部上に堆積した金属からなる中間金属層と、該中間金属層上に積層された離型膜と、を備える構成とする。

また、本発明の光学素子成形用型では、前記金属は、チタン、ジルコニウム、およびモリブデンのうちの１以上の金属からなることが可能である。

また、本発明の光学素子成形用型では、前記中間金属層と前記カーボンナノチューブとの間に、前記金属の炭化物が形成されていることが可能である。

また、本発明の光学素子成形用型では、前記離型膜は、前記中間金属層に積層される最下層と、前記成形品の材料と離型可能に密着する成形面を有する最外層とを、少なくとも含む多層膜であることが可能である。

また、本発明の光学素子成形用型では、前記金属は、前記離型膜に用いられている金属であることが可能である。

本発明の光学素子の製造方法は、本発明の光学素子成形用型成形用型を用いて前記成形品の材料を成形して前記成形品を得る方法である。

本発明の光学素子成形用型の製造方法は、成形品の表面形状に沿う形状の表面を有するように、炭化ケイ素からなる基材部を形成する基材部形成工程と、
前記基材部を熱処理して、表面のケイ素成分を揮発させるとともに前記基材部の表面から延びた形態の複数のカーボンナノチューブを形成するカーボンナノチューブ形成工程と、金属を、前記カーボンナノチューブの間に埋めて、前記基材部上に堆積させることにより中間金属層を形成する中間金属層形成工程と、前記中間金属層上に離型膜を成膜する離型膜形成工程と、を備える方法とする。

本発明の光学素子の製造方法は、本発明の光学素子成形用型の製造方法により得られた光学素子成形用型を用いて、前記成形品の材料を成形して該成形品を得る方法とする。

本発明の光学素子成形用型および光学素子成形用型の製造方法によれば、基材部と離型膜とが、基材部の表面から延びた複数のカーボンナノチューブと、このカーボンナノチューブに埋め込まれた金属とからなる中間金属層を介して積層されるため、離型膜として貴金属系膜を用いた場合であっても、離型膜の耐久性を向上することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態の光学素子成形用型の一例を示す模式的な断面図である。図１におけるＡ（Ｂ）部の模式的な部分拡大図である。本発明の実施形態の光学素子成形用型に用いる離型膜の膜構成の一例を示す模式的な部分断面図である。本発明の実施形態の光学素子成形用型の製造方法の工程フローを示すフローチャートである。本発明の実施形態の光学素子成形用型の製造方法の模式的な工程説明図である。本発明の実施形態の光学素子成形用型の製造方法の中間金属層形成工程を説明する模式的な工程説明図である。

以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
まず、本発明の実施形態の光学素子成形用型について説明する。
図１は、本発明の実施形態の光学素子成形用型の一例を示す模式的な断面図である。図２は、図１におけるＡ（Ｂ）部の模式的な部分拡大図である。図３は、本発明の実施形態の光学素子成形用型に用いる離型膜の膜構成の一例を示す模式的な部分断面図である。

本実施形態の光学素子成形用型は、成形材料であるガラス材料をプレス加工して、レンズ等のガラス製光学素子を製造する金型組立体の一部を構成するものであり、光学素子の光学面の形状をガラス材料に転写する成形面を備える。
光学素子の種類としては、ガラス製であれば、特に限定されず、例えば、レンズ、プリズム、ミラー、フィルタ、基板などの適宜の種類を採用することができる。光学素子が曲率を有する場合には、凸面でも凹面でもよい。
以下では、光学素子の一例として、凸レンズ面と凹レンズ面とを有するメニスカス形状のレンズ（不図示）を成形する場合の例で説明する。

このレンズを成形するための金型組立体１は、図１に示すように、下型２（光学素子成形用型）、上型３（光学素子成形用型）、および胴型４を備える。
下型２は、円筒状の側面２ｂを有する略円柱状部材であり、軸方向の一端部（図１の下側）に側面２ｂから外周方向に突出するフランジ部２ｃが形成され、軸方向の他端部（図１の上側）に、凸レンズ面の形状をガラス材料に転写する凹面形状を有する成形面２ａが形成されている。

側面２ｂ、フランジ部２ｃは、高硬度で耐熱性が良好な材料で形成された基材２Ａ（基材部）の表面によって形成されている。
基材２Ａの材質としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の焼結体を採用している。

図２に示すように、基材２Ａの軸方向の他端側には、成形面２ａの形状に沿う凹面である基材表面Ｓ_２Ａ（基材部の表面）上に、中間金属層２Ｂと離型膜２Ｃとが、この順に積層されている。離型膜２Ｃの最外面は成形面２ａを構成している。

基材表面Ｓ_２Ａ上には、中間金属層２Ｂを基材表面Ｓ_２Ａに強固に密着させるため、基材表面Ｓ_２Ａから離型膜２Ｃに向かって延びた複数のカーボンナノチューブ１０が設けられている。
カーボンナノチューブ１０は、基材表面Ｓ_２Ａ上で、稠密もしくは微小な間隔を空けた状態で密集しており、基材表面Ｓ_２Ａに対して略直角な方向に突出されている。
また、カーボンナノチューブ１０の密度は、基材表面Ｓ_２Ａの全体にわたって略均一である。
各カーボンナノチューブ１０の直径は、例えば、１ｎｍ〜１５ｎｍ程度が可能である。また各カーボンナノチューブ１０の長さは、例えば、１０μｍ以下程度の適宜長さが可能であり、後述する中間金属層２Ｂに対する必要な密着強度を得られるような略均一な長さを有している。
このため、カーボンナノチューブ１０は、基材表面Ｓ_２Ａ上において、略一定の高さの層状範囲に起毛状態に形成されている。
また、カーボンナノチューブ１０は、炭素結合により高強度を有している。またカーボンナノチューブ１０は、基材表面Ｓ_２Ａにおいて基材２Ａとも化学的に結合されている。

このようなカーボンナノチューブ１０は、カーボンナノチューブ１０および離型膜２Ｃのそれぞれに対して密着強度が良好となる金属１１からなる中間金属層２Ｂによって覆われている。
すなわち、中間金属層２Ｂは、カーボンナノチューブ１０による層状範囲には、各カーボンナノチューブ１０の間に金属１１が埋め込まれた金属埋め込み層Ｌ_１と、金属１１のみからなり、金属埋め込み層Ｌ_１を覆うように積層され、中間金属層２Ｂの離型膜２Ｃ側の最外面Ｓ_２Ｂを構成する被覆層Ｌ_２とからなる。
金属埋め込み層Ｌ_１は、金属１１がカーボンナノチューブ１０の間の微小な隙間に埋め込まれているため、カーボンナノチューブ１０と櫛歯状に噛み合っている。

金属１１の種類としては、炭素との密着性が良好な金属、例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）などのうちの１以上のものから、離型膜２Ｃとの密着強度が良好なものを採用することができる。
また、金属１１は、炭化物を形成しやすい材質であれば、カーボンナノチューブ１０の表面において炭化物を形成して化学結合によって強固に結合することができるため、より好ましい。また、金属１１は、基材２Ａの材質との密着強度が良好であればさらに好ましい。
離型膜２Ｃが金属系の離型膜である場合、金属１１としては、多くの金属に対する密着強度が良好なＴｉが特に好適である。
Ｔｉは、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）などによってカーボンナノチューブ１０の間に埋め込むと、カーボンナノチューブ１０の表面で炭化物を形成して、化学的に強固に結合するため、金属埋め込み層Ｌ_１においてカーボンナノチューブ１０との密着強度が良好となる。
また、金属１１は、離型膜２Ｃに用いられている金属であれば、離型膜２Ｃとの密着強度が良好となるため好ましい。すなわち、離型膜２Ｃが貴金属系からなる場合に、離型膜２Ｃに用いられる貴金属のうち、炭素との密着性に優れる材質を好適に採用することができる。
金属１１が離型膜２Ｃに用いられている金属の場合、金属１１が離型膜２Ｃに拡散したとしても、離型膜２Ｃの組成の変化が少なくなるため、離型膜２Ｃの組成の変化による離型性の低下を抑制しやすくなる。

被覆層Ｌ_２は、離型膜２Ｃとの密着強度を向上するために設けられている。このため、金属埋め込み層Ｌ_１におけるカーボンナノチューブ１０の先端部を覆い隠すことができればよく、金属埋め込み層Ｌ_１の層厚に比べて薄層に形成することが可能である。
広く用いられている貴金属系の離型膜２Ｃは、金属に対する密着強度は優れているもの、カーボンナノチューブ１０に対する密着強度は低い。このため、カーボンナノチューブ１０の表面が露出している部分が多いと、密着強度に寄与する面積が低下するため、離型膜２Ｃの密着強度が低下してしまう。
被覆層Ｌ_２を設けることにより、離型膜２Ｃとの密着可能な金属１１の面積が増大するため、離型膜２Ｃとの密着性を向上することができる。
また、カーボンナノチューブ１０の表面に密着した金属１１は、容易に拡散しないため、被覆層Ｌ_２を薄くすることにより、被覆層Ｌ_２において相対的に離型膜２Ｃに拡散する金属１１が少なくなる。また、一部の金属１１が拡散するとしても、拡散の絶対量が少なくなる。このため、金属１１が離型膜２Ｃ内に拡散することによる離型性の劣化を抑制しやすくなる。

離型膜２Ｃは、最外部が、成形に用いるガラス材料との離型性が良好な材料であれば、適宜の材料による適宜の層構成を採用することができる。層構成は、例えば、単層構成でも、多層構成でもよい。
一般に、基材がタングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金からなる場合に好適な離型膜の構成は、ＳｉＣの焼結体に対しては良好な密着強度を有しないが、本実施形態では、基材２Ａとの間に中間金属層２Ｂが形成されているため、このような超硬合金を基材とする場合の離型膜も好適である。
また、離型膜２Ｃとしては、金属１１との密着強度が良好であれば、超硬合金用の離型膜に限らず、周知の他の離型膜も好適である。
本実施形態では、離型膜２Ｃの一例として、このような超硬合金に好適な膜構成を採用している。
すなわち、離型膜２Ｃの膜構成は、図３に示すように、中間金属層２Ｂ側から、下地層５（最下層）、金属層６、窒化物層７、および表面層８（最外層）がこの順に積層されている。
離型膜２Ｃの成膜方法は、例えば、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などを用いることができるが、膜密度、膜組成の純度などからイオンビームスパッタ法が特に好適である。

下地層５は、中間金属層２Ｂを覆って密着する層状部分であり、タングステン（Ｗ）、および炭化タングステン（ＷＣ）のうち少なくとも１種類の材料から非晶質状態に形成されている。
金属層６は、下地層５との密着強度が良好な材料からなる層状部分であり、クロム（Ｃｒ）、Ｔｉ、およびモリブデン（Ｍｏ）のうち少なくとも１種類の金属材料からなる。
窒化物層７は、金属層６との密着強度が良好な材料からなる層状部分であり、Ｃｒ、Ｔｉ、およびＭｏのうち少なくとも１種類の元素を含む窒化物からなる。
表面層８は、窒化物層７との密着強度が良好であって、成形に用いるガラス材料に対する離型性が良好となる材料からなる層状部分である。
表面層８の表面は成形面２ａを構成するため、表面粗さが小さい鏡面とされる。例えば、算術平均粗さＲ_ａで０．００５μｍ以下とする。
表面層８に好適な材料としては、貴金属類を挙げることができる。特に好適な材料としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、およびレニウム（Ｒｅ）から構成される元素群の中の少なくとも１種類の元素、または前記元素群の中の少なくとも１種類の元素を含む合金、また前記元素群の中の少なくとも１種類の元素を含む化合物を挙げることができる。

このような離型膜２Ｃの構成において、下地層５は、中間金属層２Ｂに積層される最下層を構成しており、表面層８は、成形面２ａを形成する最外層を構成している。

離型膜２Ｃの特に好適な膜構成の例としては、以下の膜構成を挙げることができる。
下地層５がＷＣ、金属層６がＣｒ、窒化物層７がＣｒＮからなる場合、またはこれらを主成分とする場合には、表面層８として、ＰｔとＩｒとの合金、ＩｒとＲｅとの合金、またはＰｔからなる金属が特に好適である。
また、下地層５がＷＣ、金属層６がＴｉ、窒化物層７がＴｉNからなる場合、またはこれらを主成分とする場合には、表面層８としては、ＰｔとＩｒとの合金、ＩｒとＲｅとの合金、Ｐｔからなる金属が特に好適である。

上型３は、下型２の側面２ｂと同一の外径の筒状の側面３ｂを有する略円柱状部材であり、軸方向の一端部（図１の上側）に側面３ｂから外周方向に突出するフランジ部３ｃが形成され、軸方向の他端部（図１の下側）に光学素子の凹レンズ面の形状をガラス材料に転写する凸面形状を有する成形面３ａが形成されている。

側面３ｂ、フランジ部３ｃは、下型２と同様の材質からなる基材３Ａの表面によって形成されている。
基材３Ａの軸方向の他端側には、図２に示すように、成形面３ａの形状に沿う凹面として形成された基材表面Ｓ_３Ａ上に、中間金属層３Ｂ、離型膜３Ｃがこの順に積層され、離型膜３Ｃの最外面によって、成形面３ａが構成されている。
中間金属層３Ｂは、下型２の中間金属層２Ｂと同様な構成を有し、同様な材料で形成されている。
また、離型膜３Ｃは、離型膜２Ｃと同様な構成を有し、同様な材料で形成されている。このため、離型膜３Ｃは、中間金属層３Ｂを覆うように形成されている。

胴型４は、図１に示すように、下型２の側面２ｂの外径および上型３の側面３ｂの外径に等しい内径を有する内周面４ａを有し、下型２の側面２ｂ、および上型３の側面３ｂを、それぞれ軸方向に摺動可能に嵌合する円筒状部材である。
これにより、胴型４の一端部（図１の下側）を下型２のフランジ部２ｃに係止した状態で、下型２に外嵌され、他端部（図１の上側）には、成形面３ａを成形面２ａと対向させた状態で、上型３が着脱可能に挿入できるようになっている。
このように、胴型４の両端部に下型２、上型３が挿入された状態では、互いに対向する成形面２ａ、３ａの間に成形空間が形成される。
胴型４の材質は、炭化ケイ素、超硬合金を採用することができる。

次に、このような構成の金型組立体１における下型２、上型３の製造方法について、成形面２ａ、３ａの形成に関する製造工程を中心に説明する。
また、これらの製造工程は、下型２と上型３の外形状の違いを除いて同一であり、成形面２ａの形成に関する製造工程の説明は、成形面３ａの形成に関する製造工程にも同様に適用できる。したがって、以下では、下型２に成形面２ａを形成する場合の例で説明する。
また、具体的な製造条件について説明する場合には、金属１１がＴｉからなる場合の例で説明する。
図４は、本発明の実施形態の光学素子成形用型の製造方法の工程フローを示すフローチャートである。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の実施形態の光学素子成形用型の製造方法の模式的な工程説明図である。図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の実施形態の光学素子成形用型の製造方法の中間金属層形成工程を説明する模式的な工程説明図である。

本実施形態の光学素子成形用型の製造方法は、図４に示すように、基材部形成工程Ｓ１、カーボンナノチューブ（図４ではＣＮＴと略記）形成工程Ｓ２、中間金属層形成工程Ｓ３、および離型膜形成工程Ｓ４を備え、これらの工程をこの順に行う。

基材部形成工程Ｓ１は、成形品の表面形状に沿う形状の表面を有するように、ＳｉＣからなる基材２Ａを形成する工程である。本工程では、下型２の外形を形成し、成形面２ａを形成する部位の表面を鏡面加工する。
下型２の外形は、ＳｉＣを焼結して形成する。このとき、成形面２ａを形成する部位は、成形面２ａと略同一の曲率半径を有する湾曲面であって、成形面２ａの形状よりもわずかに低い形状とする。
次に、成形面２ａを形成する部位の表面に、ＣＶＤによりＳｉＣ層を形成する。これにより、基材２Ａの表面が焼結粒子よりも格段に粒径が小さいＳｉＣ粒子で覆われる。
このＳｉＣ層の層厚は、金属埋め込み層Ｌ_１の層厚を超える層厚であって、表面が成形面２ａの形状よりも突出する形状とする。
次に、このＳｉＣ層の表面を研磨加工して、成形面２ａとほぼと同様の形状に平滑化し、例えば、表面粗さがＲ_ａで０．００５μｍ以下程度の鏡面に仕上げる。
図５に示す断面は、このように鏡面加工された基材２Ａの表面Ｓ_０の近傍の拡大断面図である。
以上で、基材部形成工程Ｓ１が終了する。

次に、カーボンナノチューブ形成工程Ｓ２を行う。本工程は、図５（ｂ）に示すように、基材２Ａを熱処理して、表面Ｓ_０のＳｉ成分を揮発させるとともに、揮発後の表面である基材表面Ｓ_２Ａから延びた形態の複数のカーボンナノチューブ１０を形成する工程である。

基材２Ａの熱処理としては、例えば、真空度１０^−２Ｐａ、温度１４００℃の電気炉内に、基材２Ａを配置し、２時間の熱処理を行う。
このような真空中での熱処理によりＳｉＣが分解し、Ｓｉが揮発し、散逸した後に残ったＣ同士が炭素結合により再結合して、カーボンナノチューブ１０が形成される。
一方、ＣＶＤによるＳｉＣ層は緻密な構造を有しているため、Ｓｉが揮発すると、表面Ｓ_０は徐々に均等に後退していく。このため、熱処理終了後には、表面Ｓ_０から一定距離離れた位置に、基材表面Ｓ_２Ａが形成されている。
この熱処理において、徐々に後退していく表面上のＣは、基材２ＡのＳｉＣのバルクに対してＳｉの揮発前のＳｉＣと同様な化学的な結合が保たれており、ファンデアワールス力などの物理的な吸着とは異なり強い結合力を有している。
このため、カーボンナノチューブ１０は、後退していく表面との連続性が保たれており、各表面から略垂直に延びた状態になる。したがって、カーボンナノチューブ１０は、基材表面Ｓ_２Ａと強固に結合され、基材表面Ｓ_２Ａから表面Ｓ_０に向かって成長したのと同じ状態で延びている。
以上で、カーボンナノチューブ形成工程Ｓ２が終了する。

次に、中間金属層形成工程Ｓ３を行う。本工程は、金属１１を、カーボンナノチューブ１０の間を埋めて、基材２Ａ上に堆積させることにより、中間金属層２Ｂを形成する工程である。
本工程では、カーボンナノチューブ１０を形成した基材２Ａを、ＣＶＤ装置へ移して、Ｔｉを成膜する。
例えば、原料ガス、キャリアガスであるＴｉＣｌ_４、Ｈ_２、Ａｒを、それぞれ２ｓｃｃｍ、８０ｓｃｃｍ、１２０ｓｃｃｍの流量で供給し、装置内のガス圧力を０．７Ｐａとして、マイクロ波パワー２．５ｋＷ（２．４５ＧＨｚ）を印加してＣＶＤを行う。

図６（ａ）に示すように、原料ガスが分解して生成された金属粒子１１Ａは、カーボンナノチューブ１０および基材表面Ｓ_２Ａに向かって照射され、カーボンナノチューブ１０それぞれ隣り合う隙間に入り込み、カーボンナノチューブ１０の表面や基材表面Ｓ_２Ａに析出する。
このとき、カーボンナノチューブ１０の表面には、エネルギーの高い金属粒子１１Ａが付着するため、カーボンナノチューブ１０との間に化学反応が発生する場合がある。この場合には、カーボンナノチューブ１０の表面に金属粒子１１Ａの炭化物が形成されて化学結合されるため、カーボンナノチューブ１０の表面に強固に接合される。

このようにして、カーボンナノチューブ１０の表面が徐々に金属粒子１１Ａに覆われていくと、図６（ｂ）に示すように、金属粒子１１Ａによる金属層１１Ｂが形成される。
さらにＣＶＤが進行すると、図６（ｃ）に示すように、金属層１１Ｂの厚みを増していく。このため、隣り合うカーボンナノチューブ１０間の隙間が狭まり、さらに穴状になった隙間の上方から金属粒子１１Ａが堆積していく。
この結果、図５（ｃ）に示すように、各カーボンナノチューブ１０の間に金属１１が埋め込まれた中間金属層２Ｂが形成される。
金属粒子１１Ａは、各カーボンナノチューブ１０の周囲から満遍なく付着していくため、カーボンナノチューブ１０の先端にも金属粒子１１Ａが付着していき、カーボンナノチューブ１０全体を覆うように堆積して中間金属層２Ｂが形成される。
このようにして、中間金属層２Ｂは、基材表面Ｓ_２Ａ上に、金属埋め込み層Ｌ_１と、被覆層Ｌ_２とがこの順に積層された層状部として形成される。
以上で中間金属層形成工程Ｓ３が終了する。

金属埋め込み層Ｌ_１は、カーボンナノチューブ１０に櫛歯状に噛み合った状態に形成され、平面同士の密着に比べて格段に大きな表面積で密着するため、物理的な結合であっても、強固に密着することができる。
また、金属１１がＴｉなどの、炭化物を形成しやすい金属の場合には、カーボンナノチューブ１０の表面において、ＴｉＣの化学結合が形成されやすいため、さらに高い接合力が得られる。
また、金属埋め込み層Ｌ_１は、微細構造を有するカーボンナノチューブ１０と金属１１とが、複合化(混合)された状態にあるとも言える。そのため、金属１１にカーボンナノチューブが添加して強化した複合材料と同様に、機械的特性(強度、硬度)の向上が期待できる。

次に、離型膜形成工程Ｓ４を行う。本工程は、中間金属層２Ｂの最外面Ｓ_２Ｂ上に離型膜２Ｃを成膜する工程である。
中間金属層２Ｂが形成された基材２Ａを、スパッタリング装置に移し、例えば、従来超硬合金で用いていたのと同じ条件で、中間金属層２Ｂ側から下地層５、金属層６、窒化物層７、および表面層８をこの順に成膜する。
各層の具体例としては、下地層５がＷＣ、金属層６がＣｒ、窒化物層７がＣｒＮ、表面層８がＩｒとＰｔとの組成比が１：１の混合膜からなる例を挙げることができる。
特に、金属１１が、活性が高いため様々な材料と接合されやすく接合材料として好適なＴｉの場合、離型膜２Ｃの下地層５のＷＣとも、化学結合して強い接合力が得られる。
以上で、離型膜形成工程Ｓ４が終了する。
このようにして下型２が製造される。

本実施形態の下型２によって光学素子を製造するには、同様にして製造した上型３とともに、金型組立体１を形成し、下型２と上型３との間にガラス材料を配置して、加熱し、プレス加工を行う。これにより、成形面２ａ、３ａの形状がガラス材料に転写され、図１に示す形状の場合にはメニスカスレンズを製造することができる。

中間金属層２Ｂおよびカーボンナノチューブ１０の効果を確認するため、比較例として、中間金属層２Ｂおよびカーボンナノチューブ１０を設けない以外は、本実施形態の下型２、上型３と同様な構成の光学素子成形用型を作製し、本実施形態の光学素子成形用型と、比較例の光学素子成形用型とを用いて、それぞれガラスレンズの成形を行った。
ガラス材料は、Ｌ−ＬＡＨ５３（商品名；オハラ株式会社製）からなる直径４ｍｍの球状のものを使用した。
成形温度６２０℃で成形を繰り返したところ、本実施形態の光学素子成形用型は１０００ショットの成形後においても成形面の劣化が見られなかったのに対し、比較例の光学素子成形用型では６０ショットの成形後に離型膜の一部に剥離が生じた。
このため、本実施形態の光学素子成形用型では、中間金属層２Ｂおよびカーボンナノチューブ１０を備えるため、比較例に比べて離型膜２Ｃの耐久性が格段に向上していることが分かる。

このようにして製造された本実施形態の下型２によれば、基材２Ａと離型膜２Ｃとが、基材２Ａの基材表面Ｓ_２Ａから延びた複数のカーボンナノチューブ１０と、このカーボンナノチューブ１０に埋め込まれた金属１１とからなる中間金属層２Ｂを介して積層されている。
カーボンナノチューブ１０は、基材表面Ｓ_２Ａに対してはＳｉＣと同様の化学結合によって強固に結合され、カーボンナノチューブ１０自体は、その炭素結合によって強固な機械的強度を有している。金属１１は、このようなカーボンナノチューブ１０の隙間に櫛歯状に埋め込まれているため、カーボンナノチューブ１０と強固に密着されている。
そして、離型膜２Ｃは、このように基材表面Ｓ_２Ａ上にカーボンナノチューブ１０を介して強固に密着された中間金属層２Ｂの表面の金属１１と強固に密着している。
これにより、離型膜２Ｃが貴金属系であるため基材２Ａと接合されにくい場合であっても、離型膜２Ｃは基材２Ａ上に良好に接合される。
このため、下型２の耐久性を向上することができる。

なお、上記実施形態の説明では、光学素子成形用型として、光学素子を製造する成形用型であって、光学素子の光学面の形状を転写する成形面を有する場合の例で説明したが、光学面以外の成形品の形状を形成する成形面を同様な構成とすることも可能である。
また、光学素子成形用型は、面精度が良好な成形面を要する適宜の成形品を製造することが可能である。

また、上記の実施形態の説明では、離型膜２Ｃの膜構成は、基材２ＡがＳｉＣの焼結体であっても、中間金属層２Ｂを介すことにより超硬合金基材向けの離型膜を設けることができることを示すため、下地層５、金属層６、窒化物層７、および表面層８がこの順に積層されている４層構成の多層膜の場合の例で説明した。
このような構成によれば、基材２Ａの材質が、超硬合金以外の場合でも、従来の超硬合金基材向け離型膜、および離型膜を形成する製造工程を、変更無しにそのまま使うことができる。このため、離型膜を変えることなく、光学素子成形用型の基材２Ａとの密着強度を向上することができる。
しかし、このような離型膜の膜構成は一例であり、中間金属層２Ｂに用いる金属１１との密着強度が良好であれば、離型膜は、適宜の膜構成を構成することができる。すなわち、上記実施形態の膜構成は、最外層である表面層８と、その他の中間層である下地層５、金属層６、および窒化物層７という構成を有しているが、中間層の材質、層構成（層の組合せや順序）は、最外層の材質や必要な密着強度に応じて適宜の材質、層構成を採用することができる。
例えば、これらの中間層の一部の層を削除したり、それぞれを材質や組成を変えて複数設けるようにしたり、他の異なる中間層を挿入したり、層の積層順序を変えたりしてもよい。
また、離型膜の中間層は、少なくとも一部が、材料の組成が層厚方向に変化する材料傾斜層であってもよい。
また、離型膜は、同一材質が均質に分布した単層であってもよく、材料傾斜層からなる単層でもよい。

また、上記実施形態の説明では、基材２Ａ全体が、ＳｉＣからなる場合の例で説明したが、成形面２ａを形成する領域に、カーボンナノチューブ１０を形成するためのＳｉＣ層が設けられていれば、基材２Ａの他の部位の材質は、ＳｉＣ以外の材質を採用することも可能である。

また、上記実施形態の説明では、被覆層Ｌ_２が、カーボンナノチューブ１０の先端をすべて覆うように形成される場合の例で説明したが、カーボンナノチューブ１０の先端が露出していても、離型膜２Ｃと金属１１との当接面積が必要な密着強度が得られる程度の大きさである場合には、カーボンナノチューブ１０の先端が金属１１に覆われていなくてもよい。すなわち、中間金属層２Ｂにおいて被覆層Ｌ_２を省略することも可能である。

また、上記実施形態に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせを代えたり、削除したりして実施することができる。

１金型組立体
２下型（光学素子成形用型）
２Ａ、３Ａ基材（基材部）
２Ｂ、３Ｂ中間金属層
２Ｃ、３Ｃ離型膜
２ａ、３ａ成形面
３上型（光学素子成形用型）
４胴型
５下地層（最下層）
６金属層
７窒化物層
８表面層（最外層）
１０カーボンナノチューブ
１１金属
Ｓ_２Ａ、Ｓ_３Ａ基材表面
Ｓ_２Ｂ、Ｓ_３Ｂ最外面
Ｓ１基材部形成工程
Ｓ２カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）形成工程
Ｓ３中間金属層形成工程
Ｓ４離型膜形成工程

Claims

成形品の表面形状に沿う形状の表面を有し、炭化ケイ素からなる基材部と、
前記表面から延びた複数のカーボンナノチューブと、
該カーボンナノチューブの間に埋められて前記基材部上に堆積した金属からなる中間金属層と、
該中間金属層上に積層された離型膜と、
を備えることを特徴とする、光学素子成形用型。
前記金属は、チタン、ジルコニウム、およびモリブデンのうちの１以上の金属からなる
ことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子成形用型。
前記中間金属層と前記カーボンナノチューブとの間に、前記金属の炭化物が形成されている
ことを特徴とする、請求項１または２に記載の光学素子成形用型。
前記離型膜は、前記中間金属層に積層される最下層と、前記成形品の材料と離型可能に密着する成形面を有する最外層とを、少なくとも含む多層膜である
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子成形用型。
前記金属は、前記離型膜に用いられている金属である
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子成形用型。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子成形用型を用いて前記成形品の材料を成形して前記成形品を得る、
ことを特徴とする光学素子の製造方法。
成形品の表面形状に沿う形状の表面を有するように、炭化ケイ素からなる基材部を形成する基材部形成工程と、
前記基材部を熱処理して、表面のケイ素成分を揮発させるとともに前記基材部の表面から延びた形態の複数のカーボンナノチューブを形成するカーボンナノチューブ形成工程と、
金属を、前記カーボンナノチューブの間に埋めて、前記基材部上に堆積させることにより中間金属層を形成する中間金属層形成工程と、
前記中間金属層上に離型膜を成膜する離型膜形成工程と、
を備えることを特徴とする、光学素子成形用型の製造方法。
請求項７に記載の光学素子成形用型の製造方法により得られた光学素子成形用型を用いて、前記成形品の材料を成形して該成形品を得る、
ことを特徴とする、光学素子の製造方法。