JP2000044259A - 光学素子成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成形型の成形面が酸化する場合にもコーティ
ング膜を施す必要なく、しかも酸化しても少ないタイム
ロスで復旧させて光学素子の成形を継続する。 【解決手段】 ガラス素材と一対の成形型とを加熱した
状態で一対の成形型によりガラス素材を押圧して光学素
子を成形する。成形型をガラス素材の屈伏点温度以下の
温度で加熱して光学素子を成形し、この成形によって生
じた成形型表面の酸化層を研磨により除去した後、光学
素子の成形を続ける。屈伏点以下の温度では、成形面が
酸化されにくく、酸化されても簡単に除去することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加熱したガラス素
材を加熱した成形型で押圧することにより光学素子を成
形する光学素子成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】短時間で大量に非球面レンズを生産する
ため、ガラス素材を押圧することによる成形が行われて
いる。この成形では、ガラス素材を軟化させる必要があ
るため、高温下での成形条件となる。そして、この高温
により成形型が劣化したり、ガラス素材と成形型とが融
着したりするため、成形型が使用できなくなって、成形
のコストや生産性を左右する要因となっていた。

【０００３】このようなことから特開平７−１０５６１
号公報には、耐熱性膜をコーティングすることが開示さ
れている。すなわち、この成形型は貴金属又は貴金属合
金の中間層を介して、その表面に炭素膜のコーティング
処理が行われるものである。このコーティング処理によ
る炭素膜は耐熱性に優れていることから、高温状態下で
の成形型の劣化を防止できると共に、ガラス素材との融
着も防止することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、コーテ
ィング膜は成形型の基材との密着性を改善することがで
きるが、完全な密着状態となることができず、光学素子
の成形中に膜が剥離することが頻繁に発生する。そし
て、このように膜が剥離すると、成形面の形状に段差が
生じるため、成形型としての継続使用が不可能となる。
又、硬い膜の部分的な剥離が主であるため、簡単に再生
することが不可能であり、このため研削からの加工が必
要となる。これにより、成形型を復元するためのコスト
が高くなる問題も有している。

【０００５】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、成形型にコーティング膜を設け
ることなく、そのままで成形に使用することができ、し
かも劣化が生じても研削からの加工を不要とすることが
可能な光学素子形成方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【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の発明は、ガラス素材と一対の成形型とを
加熱した状態で一対の成形型によりガラス素材を押圧し
て光学素子を成形する光学素子成形方法において、前記
成形型を前記ガラス素材の屈伏点温度以下の温度で加熱
して光学素子を成形し、この成形によって生じた成形型
表面の酸化層を研磨により除去した後、光学素子の成形
を続けることを特徴とする。

【０００７】この発明では、成形温度をできるだけ低く
して成形することにより、成形型の劣化を最小限に抑制
し、ある程度劣化した時点で、成形型の表面から酸化層
を除去して成形を続けるものである。

【０００８】通常、高温状態でガラス素材を押圧して光
学素子を成形する成形型は、タングステンカーバイト等
の焼結体を基材に用いているが、高純度な窒素などの非
酸化雰囲気下においても、ガラス素材に接触した面がガ
ラス成分の含有している酸化物と酸化反応を起こし、粒
子欠落の形態で表面が荒れてくる。しかしながら、成形
する温度をガラス素材の屈伏点温度以下とすると、酸化
層が形成される速度が遅くなり、表面のみのごく僅かな
厚さに抑えることができる。また、酸化は全体的に均一
に発生し、部分的に発生することがない。しかも、酸化
によって劣化した表面部分は結合力も低下しているた
め、僅かな研磨力で充分に除去することができる。

【０００９】この発明では、成形型の表面に生じた酸化
層が外観性能に影響を及ぼし始める直前で、酸化層の除
去を実施するものであり、これにより、簡単な作業で成
形型を未使用に近い状況に復元して繰り返し使用するこ
とができる。なお、外観に影響を及ぼす酸化層の厚さ
は、成形型や成形される光学素子によって相違があって
一律に規定できないが、酸化によって成形面の表面粗さ
が０．０５μｍ〜０．１μｍ程度の範囲が良好である。

【００１０】請求項２の発明は、ガラス素材と一対の成
形型とを加熱した状態で一対の成形型によりガラス素材
を押圧して光学素子を成形する光学素子成形方法におい
て、前記一対の成形型の少なくとも一方の成形型の成形
面を当該成形型の基材の材質により形成し、前記成形型
を加熱する温度を前記ガラス素材の屈伏点温度以下に設
定して光学素子を成形し、この成形によって生じた成形
型の成形面の酸化層を、砥粒を保持した柔軟な研磨部材
によって擦ることにより除去して成形面を再生し、その
後、前記成形を続行することを特徴とする。

【００１１】この発明では、成形型の成形面を成形型の
基材のままとした状態で成形に用いるものである。この
成形においても、ガラス素材の屈伏点温度以下の温度に
加熱することにより、酸化層形成速度を遅くする。

【００１２】又、この発明において、酸化層が発生した
場合には、砥粒を保持した柔軟な研磨部材によって成形
面を擦ることにより除去するものである。砥粒としては
ダイヤモンド砥粒などの仕上げ用の砥粒を用いることに
より、数十秒の研磨によって確実に酸化層を除去するこ
とができる。この研磨は非常に薄い取り代と、酸化層が
全体的に略均一に発生するため、成形型を回転させなが
ら、研磨部材を一定圧で数回揺動させることにより、酸
化層の全体をむらなく均一に除去することができる。
又、この除去は、短時間で終了すると共に、成形面の形
状を崩すことがない。研磨部材としては、綿棒等の柔軟
な部材にダイヤモンド砥粒を保持させたものを使用する
ことにより簡単に用いることができる。

【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に用いる成形装置を示し、ガラス素材４を
上下から押圧することにより光学素子を成形する上型１
及び下型２と、上型１及び下型２が挿入されることによ
り上型１及び下型２を案内するスリーブ３とによってガ
ラス素材４を保持した型セット５が形成されている。こ
の型セット５は主軸７に下型２及びスリーブ３の下端部
が嵌め込まれることにより、主軸７上に支持される。

【００１４】スリーブ３と上型１及び下型２とは１０μ
ｍ程度のクリアランスを有するように設定されており、
これにより光学素子に対して所望の精度の光軸を付与す
ることができる。なお、スリーブ３は全体が円筒形状に
成形されると共に、上型１をガイドする上部及び下型２
をガイドする下部を有しており、これらの間には部分的
に刳り抜かれた開口部３ａが形成されている。

【００１５】主軸７は支持板１９上に取り付けられた成
形用シリンダ６に連結されており、ガラス素材４の成形
時に成形用シリンダ６が駆動することにより上昇して型
セット５の全体を持ち上げる。支持板１９は基台２０か
ら立設したガイドロッド９にベアリング８を介して連結
されており、ガイドロッド９に沿って上下動可能となっ
ている。この支持板１９の上下動は基台２０上に設けた
メインシリンダ１０の駆動によって行われる。かかるメ
インシリンダ１０は型セット５を加熱するための加熱位
置（図１に示す位置）と、この加熱位置から型セット５
が下降して主軸７から型セット５を取り出すことができ
る位置との間で支持板１９が上下動するように駆動す
る。

【００１６】基台２０からは支持フレーム２３が立設し
ており、この支持フレーム２３上に成形室１１が支持さ
れている。成形室１１は型セット５の周囲を包囲する側
壁部２１と、側壁部２１の上端部に取り付けられた上壁
部２２とを有した密閉構造となっており、その内部には
不活性ガス導入口（図示省略）から窒素ガスなどの不活
性ガスが供給されることにより、非酸化性雰囲気に保つ
ことができる。

【００１７】成形室１１の側壁部２１の内方における型
セット５の周囲には、上下の型１，２、スリーブ３及び
ガラス素材４からなる型セット５の全体を加熱する赤外
線ランプからなるヒータ１２が配置されている。これに
対し、上型１及び下型２のそれぞれには、温度センサ１
４，１５が設けられており、この温度センサ１４，１５
によって上型１及び下型２の加熱量が制御されている。

【００１８】又、成形室１１の上壁部２２の下面には、
ストッパ１３が取り付けられている。成形用シリンダ６
の駆動によって上昇する上型１がこのストッパ１３に当
接することにより、ガラス素材４が押圧されて光学素子
が成形される。

【００１９】図２は上型１及び下型２の成形面１ａ、２
ａを研磨して復元させるための研磨装置を示す。この研
磨装置は、型１又は２を載置する受け台１６と、受け台
１６を回転可能に支持するベアリング１７と、ベアリン
グ１７を介して受け台１６を回転させるモータ１８をに
よって構成された簡単な構造となっている。

【００２０】次に、上下面がフラットで研磨されている
円柱状のガラス素材４をメニスカスレンズに連続成形す
ると共に、上型１及び下型２を研磨しながら成形を継続
する手順を説明する。

【００２１】この実施の形態における上型１及び下型２
の成形面１ａ、２ａの表面粗さは０．０３μｍである。
又、上型１及び下型２はタングステンカーバイトの焼結
体（超硬）を基材に用いていると共に、その成形面１
ａ、２ａにはコーティングなどの処理を施すことなく基
材そのままとしている。なお、成形面１ａ、２ａ以外の
面に対しては、窒化チタン（ＴｉＮ）や窒化クロム（Ｃ
ｒＮ）などの耐熱コーティングを施すことにより耐久性
が向上するが、これは任意であり、この実施の形態で
は、耐熱コーティングを施すことなく使用している。

【００２２】この実施の形態では、メニスカスレンズを
成形するため、上型１の成形面１ａは凸状となり、下型
２の成形面２ａは凹状となっている。又、ガラス素材４
としては鉛を含有し型１，２と反応し易い硝材ＳＦ６を
用いている。この硝材ＳＦ６の屈伏点は４７６℃、転移
点は４５５℃である。

【００２３】まず、下型２の上にガラス素材４を載置し
てスリーブ３を下型２に嵌合させ、スリーブ３に上型１
を挿入することにより、上型１、下型２及びガラス素材
３をスリーブ３によって一体にした型セット５を形成す
る。この型セット５を主軸７の上に載置し、メインシリ
ンダ１０によって上昇させて、その上限設定位置で固定
することにより加熱位置で待機する。この時点で不活性
ガス導入口から成形室１１内に非酸化性ガス（窒素ガ
ス）を吐出し、型セット５を非酸化性雰囲気で覆う。所
定の濃度になったところでヒータ１２によって型セット
５の加熱を開始する。

【００２４】加熱では約５分で所望の成形温度（本実施
の形態では４７０℃）まで上昇し、安定するまで更に２
分ほど待機する。なお、４７０℃は屈伏点に近い温度で
あるが、屈伏点より低い温度である。加熱が終了した時
点で、シリンダ６を駆動することによって主軸７を上昇
させて、型セット５の上型１をストッパ１３に当て付け
る。これによりガラス素材４を押圧して光学素子である
メニスカスレンズを成形する。押圧が完了して、上型１
と下型２の温度が下降した時点で、主軸７を下降させて
成形されたメニスカスレンズ４を取り出して成形を完了
する。

【００２５】一般的にガラス素材４が劣化し易い鉛含有
ガラスの場合、転移点以上に温度を上げると鉛が蒸発し
易くなるが、屈伏点前後を境に鉛の析出量が大きく増え
る特性を有している。従って、ガラス素材４の加熱を転
移点以上で且つ屈伏点以下となるように制御して加熱温
度を屈伏点温度を超えないようにすることにより、大き
な量の鉛の析出がなく、型１，２との反応が加速されな
い。このため、良好な光学素子を連続して成形すること
ができる。

【００２６】しかしながら、型１，２の表面はガラス素
材４と接触することによりガラス素材４が含有している
微量な鉛との反応で酸化されて徐々に荒れる。従って、
これに伴って成形される光学素子表面も粗れることとな
る。本実施の形態例では、成形温度を４７０℃に設定し
たところ、約５００ショットでメニスカスレンズの外観
が良品の限界に近づく。このためこのショット数を区切
りとして後述する研磨を実施しながら成形を続けた。

【００２７】研磨はダイヤモンド砥粒と綿棒とからなる
研磨部材（図示省略）を使用して行う。この研磨部材は
綿棒の先端の柔軟な不織布の表面にダイヤモンド砥粒を
保持させた構造となっている、ダイヤモンド砥粒の保持
は、不織布に設けた多孔内にダイヤモンド砥粒を埋め込
むことによりなされている。

【００２８】研磨においては、図２に示す研磨装置の受
け台１６に上型１、下型２をそれぞれセットして実施し
た。モータ１８により上型１と下型２を適宜回転し、そ
れぞれ手動で綿棒を上型１、下型２の成形面１ａ、２ａ
に一定圧で当て付けて数回揺動し、全体をむらなく約２
０秒間程度研磨した。その結果、型１，２の成形面１
ａ、２ａの粗さは研磨前の０．０８μｍから未使用時と
同様の０．０３μｍに向上し、成形されるレンズの形状
の変化はほとんどみられなかった。

【００２９】なお、研磨部材としては綿棒に代えて織目
のある柔らかい布でも良く、砥粒をその表面に付着させ
る多孔穴を有する柔軟材であれば種々の研磨部材を使用
することができる。又、研磨装置としては、それぞれの
成形装置に付属させることにより、直ちに研磨して成形
を再開できるようにすることができる。これにより、研
削等の復元加工に比べて比較にならならないほど短時間
で処理することができるばかりでなく、光学素子の製造
を中断する必要もなくなる。なお、回転だけの研磨装置
を使用したが、型径が大きくなったりすることにより、
手動では困難な場合には、簡単な揺動機構を並設しても
よい。

【００３０】この実施の形態では、以上の方法で約１０
回の研磨と成形を繰り返し、合計５０００ショットの耐
久性を確認した。上型１及び下型２はまだ充分に使用で
きる状態であった。従って、鉛等が含有し、型１，２と
の反応性の高いガラス素材４であっても、充分な耐久性
を得ることができる。また、型の成形面に膜をコーティ
ングする必要がなくなり、これにより膜剥離等の不良が
発生するこがなく、余分な型を準備する等の手配が不要
となる。なお、成形面にコーティング膜を施したした成
形型では、５０００ショット以上の耐久性を有する場合
もあるが、コーティング膜の性能のばらつきや成形条件
のばらつき等の影響で２００ショットで膜が剥離するも
のもあり、安定性に欠けている。

【００３１】このように上型１又は下型２が一時的には
使用不能となっても、極微細な表面劣化のためであり、
しかもこの劣化を簡単に修正でき、繰り返し使用できる
ため、安定した状態で成形を継続することができる。従
って、膜剥離が生じることにより起因した研削からの復
元に比べて、コスト的にも有利となる。

【００３２】なお、型１，２の基材としては、タングス
テンカーバイト以外のニッケル基系の耐熱合金、シリコ
ンカーバイト等の焼結体、その他の基材を使用すること
ができる。ガラス素材４としては、鉛含有以外のナトリ
ウム等のアルカリ系含有のガラス素材であっても良い。
さらに、凸レンズなどのメニスカスレンズ以外の光学素
子であれば同様に適用することができる。

【００３３】（実施の形態２）この実施の形態では、実
施の形態１よりも形状が容易なメニスカスレンズを成形
するものである。ガラス素材４の硝材は同様にＳＦ６で
ある。

【００３４】この実施の形態で成形されるレンズは、図
１に示す上型１の凸状の成形面１ａと下型２の凹状の成
形面２ａの曲率が実施の形態１よりも大きく、より平面
に近い形状をしている。そのため、押圧時における流動
量が実施の形態１に比べて少ないため、成形の型温度を
屈伏点の４７６℃よりも４６５℃と十分低くして成形し
た。

【００３５】このため、型１及び２の酸化の進行がより
緩やかになり、８５０ショットを経過するまで外観に影
響を与える酸化による劣化が発生することがなかった、
そのため、約８５０ショットごとに成形面１ａ、２ａの
表面の酸化層を除去する研磨を実施して成形を続けるこ
とができた。従って、この実施の形態では１０回まで研
磨と成形を繰り返し、８５００ショットまで成形をした
が、型１，２はまだ充分に繰り返し使用できる状態であ
った。このように温度条件を下げることと、酸化層を除
去することとを併せて十分な型耐久性を得ることができ
る。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、成形温度を極力低くして成形するため、成形型
の劣化を最小限に抑制することができる。又、成形型の
成形面が酸化によって劣化しても、その酸化層を除去す
るため継続的に使用することができる。従って、耐熱性
のコーティング処理が不要となると共に、光学素子を効
率良く成形することができる。

【００３７】請求項２の発明によれば、成形型の成形面
を成形型の基材のままとした状態で成形に用いると共
に、酸化によって酸化層が生じても研磨部材の擦りによ
って簡単に除去することができるため、耐熱性コーティ
ングが不要となり、光学素子を効率良く成形することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学素子成形方法に使用される成形装
置の断面図である。

【図２】本発明に使用される研磨装置の断面図である。

【符号の説明】

１ 上型 １ａ 成形面 ２ 下型 ２ａ 成形面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラス素材と一対の成形型とを加熱した
   状態で一対の成形型によりガラス素材を押圧して光学素
   子を成形する光学素子成形方法において、 前記成形型を前記ガラス素材の屈伏点温度以下の温度で
   加熱して光学素子を成形し、この成形によって生じた成
   形型表面の酸化層を研磨により除去した後、光学素子の
   成形を続けることを特徴とする光学素子成形方法。
2. 【請求項２】 ガラス素材と一対の成形型とを加熱した
   状態で一対の成形型によりガラス素材を押圧して光学素
   子を成形する光学素子成形方法において、 前記一対の成形型の少なくとも一方の成形型の成形面を
   当該成形型の基材の材質により形成し、前記成形型を加
   熱する温度を前記ガラス素材の屈伏点温度以下に設定し
   て光学素子を成形し、この成形によって生じた成形型の
   成形面の酸化層を、砥粒を保持した柔軟な研磨部材によ
   って擦ることにより除去して成形面を再生し、その後、
   前記成形を続行することを特徴とする光学素子成形方
   法。