JP2000044262A - 光学素子成形装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却時の温度分布の発生を容易に防止し、転
写精度の良好な光学素子を得る光学素子成形装置を提供
することである。 【解決手段】 ガラス素材４を加熱軟化し、一対の成形
型１、２で押圧してなる光学素子成形装置において、一
対の成形型１、２を押圧する上軸７と下軸８とが、該上
軸７および下軸８の熱伝導率より大きな熱伝導率の材料
からなる接続部材１１で接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガラス素材を一対
の成形型間に介装し加熱成形して光学素子を得る光学素
子成形装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、短時間で大量に非球面レンズを生
産するため、ガラス素材を一対の成形型間に介装し加熱
成形して光学素子を得る生産方法が用いられている。こ
れは、ガラス素材を加熱軟化させて押圧成形した後、冷
却固化させて形状創成する方法である。この方法で重要
なのは、冷却時に成形された光学素子内に温度分布が生
じないようにすることである。例えば、この方法に用い
られる装置として、特公平３−５５４１９号公報所載の
技術が開示されている。図４を用いて、この技術を説明
する。

【０００３】図４において、１０１は球形（直径５ｍ
ｍ）の酸化鉛系ガラス〔ＨＯＹＡ（株）製：ＦＤ６，ガ
ラス転移温度４３５℃〕製のプリフォームである。１２
０は、成形型で上型１２１、下型１２２、案内型１２３
とから成り材質はタングステンカーバイトである。上型
１２１、下型１２２、案内型１２３は、保持具１０３
（材質：ステンレス鋼）を介して、支持台１０４（材
質：ステンレス鋼）にて支持されている。上型１２１の
ガラス成形面１２１ａは曲率半径が１７０ｍｍの凸面
で、下型１２２のガラス成形面１２２ａは曲率半径が３
ｍｍの凹面である。プリフォーム１０１及び成形型１０
２の温度コントロールは、下型１２２に挿入された熱電
対１０９の温度指示に基づき高周波コイル１０７に供給
する電力をコントロールすることにより行っている。

【０００４】上型１２１と下型１２２と案内型１２３と
から形成される空間であるキャビティ１０５内にプリフ
ォーム１０１を設置し、真空ポンプ（図示せず）により
１〜２分間石英管１０６内の空気を排気した後、非酸化
性気体（本例では窒素ガス）を導入し、０．３ｋｇ／ｃ
ｍ² 程度の陽圧に保ちながら石英管１０６内を非酸化性
雰囲気とした。石英管１０６内の雰囲気調整後、石英管
１０６外に設置された高周波コイル１０７により下型１
２２の温度で５２４℃（本例に用いた被成形ガラスの粘
性で１０⁸ ポアズに相当する温度）まで下型１２０及び
プリフォーム１０１を加熱し、次いで上型１２１の上方
に位置する押し棒１０８（材質：ステンレス鋼）を下降
させて、４０ｋｇ／ｃｍ² 圧力にて加圧成形を行った。

【０００５】プレス開始２０秒後に１０℃／ｍｉｍの冷
却速度にて冷却を開始した。成形型１２０とプリフォー
ム１０１の温度が４１７℃（本例のガラス粘度で１０¹³
ポアズに相当）に達した後、４１７℃にて９０秒間加圧
成形を行った後、圧力を除いて室温まで徐冷を行った。
こうして得られたメニスカス形状のプレスレンズは型面
を基準として面精度はアスティグマ１／６本以下、中心
肉厚および外径はそれぞれ１０μｍ以下の精度が得られ
る。

【０００６】上記成形装置で成形した場合、ガラスレン
ズ（プレスレンズ）または上型１２１、下型１２２間に
温度分布を生じさせる原因として、上型１２１に接触し
ている押し棒１０８および下型１２２に接触している支
持台１０４の冷却速度が影響していると考えられる。こ
れらの温度分布を防止する対策として、一般的にはガラ
スレンズの温度分布を最小にするために、冷却時間を非
常に遅くしたり、成形型の温度制御を高精度にして対応
しているものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、この様な精
密な温度制御を行って冷却時間を遅くして対応する方法
や、高精度な温度制御をするには、非常に高価で大きな
装置を必要とするし、制御も複雑になり、サイクルタイ
ムも長くなるという問題点があった。

【０００８】本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされ
たもので、請求項１または２に係る発明の課題は、冷却
時の温度分布の発生を容易に防止し、転写精度の良好な
光学素子を得る光学素子成形装置を提供することであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１または２に係る発明は、ガラス素材を加熱
軟化し、一対の成形型で押圧してなる光学素子成形装置
において、前記一対の成形型を押圧する上軸と下軸と
が、該上軸および下軸の熱伝導率より大きな熱伝導率の
材料からなる接続部材で接続されている。

【００１０】請求項１または２に係る発明の光学素子成
形装置では、一対の成形型を押圧する上軸と下軸とが、
該上軸および下軸の熱伝導率より大きな熱伝導率の材料
からなる接続部材で接続されていることにより、上軸と
下軸とを熱的に一体化し、これに接触する一対の成形型
間の温度差を最小にする。請求項２に係る発明の光学素
子の成形装置では、上記作用に加え、一方の成形型と上
軸との間、および他方の成形型と下軸との間に、それぞ
れ接続部材の熱伝導率より小さな熱伝導率のスペーサを
設けたことにより、各成形型と上軸または下軸との間の
熱伝導を制約する。

【００１１】

【発明の実施の形態】各成形型およびガラスの冷却時に
生じる温度分布は、自然冷却でヒータ等による制御を行
わない場合では、成形装置の構成上、一対の成形型は上
型と下型とからなり、上型に接触している上軸と下型に
接触している下軸とにより生じるものである。上軸と下
軸とは、同形状で同一の熱容量であることが好ましい
が、押圧機構を付加したり、スライド機構を付加する内
に、これらに熱容量の差が生じてくる。このため、自然
冷却時に、熱の逃げ方に差異を生じて、温度差が生じ
る。上軸と下軸とは、それぞれ上型、下型に接触してい
るため、それぞれの型から奪う熱量がその差異に影響さ
れ、冷却の速い軸の側の型はより多くの熱を奪われて温
度が下がり、もう一方の型はそれに比べると奪われる熱
量が少なくなるので温度が高くなり、上型と下型との間
に温度差を生じるものである。すなわち、これら上軸と
下軸との間に生じる温度差を最小にすることで、各成形
型およびガラスに生じる温度分布を最小にすることがで
きるものである。

【００１２】本発明は、この温度分布を最小にするため
に、上型に接触する上軸と下型に接触する下軸とを、上
軸および下軸に比較して熱伝導率が非常に大きな材料か
らなる接続部材で接続し、接続部材を介して互いに熱伝
導する構成として上軸と下軸とを熱的に一体化するもの
である。従来、上下軸に温度差がある場合は、各成形型
からそれぞれの温度に対応した熱を奪っていたものを、
上下軸の間でも熱伝導させることにより、温度差による
熱伝導を各成形型からのみでなく、上下軸同士の間でも
行うようにする。上下軸の熱伝導率よりも熱伝導率が非
常に大きな材料を接続部材として使用することにより、
上下軸の温度差の影響は、各成形型への作用より接続部
材への作用の方が大きく、上下軸間の熱伝導が良好に行
われる。この様にすることで、上下軸同士で温度を均一
にしようとする作用が働き、各成形型から奪う熱量の各
成形型間での差が小さくなるものである。

【００１３】この結果、冷却時での各成形型間の温度差
が小さくなり、同時にガラスの温度分布も小さくなると
いうものである。なお、接続部材は、ヒータからの輻射
熱を遮ることによってその熱量を奪わないようにするた
め、その一部を切り欠いてあり、この切り欠き部分を通
じてヒータからの輻射熱が直接、上型、下型などを加熱
するのが望ましい。なお、本発明の実施の形態では、ガ
ラスレンズの成形装置とこれを用いた成形方法を説明す
るが、光学素子はガラスレンズに限ることなく、ミラ
ー、プリズム等の他の光学素子にも適用できるものであ
る。

【００１４】（実施の形態１）図１〜図２は実施の形態
１を示し、図１は光学素子成形装置の縦断面図、図２は
接続部材の斜視図である。

【００１５】図１において、ガラスレンズを成形する型
セット１５は、一対の成形型としての上型１および下型
２、スリーブ３ならびにガラス素材４により構成されて
いる。上型１および下型２は、タングステンカーバイト
（熱伝導率約８０ｗ／(m・K)）の焼結体（超硬質合金）
を基材として用いており、それぞれの成形面はガラスレ
ンズを反転した球面または非球面に仕上げられている。
ガラス素材４はＳＦ６からなる平板状のプリフォームで
あり、上型１および下型２の間に挟持されている。スリ
ーブ３は管状に形成され、その内周面と上型１および下
型２の外周面はクリアランス１０μｍに設定されてお
り、成形されるガラスレンズの光軸の精度が出せるよう
になっている。型セット１５は下軸８に載置され、下軸
８には微動シリンダ５が連設されており、型セット１５
を上下動させてガラス素材４を押圧することができる。

【００１６】微動シリンダ５は、支持台１６に取着さ
れ、支持台１６の両端にはベアリング１３が取着されて
いる。ベアリング１３は、基台２０に立設された４本の
ガイド１７（内２本は図示省略）の内の対角位置にある
２本に嵌装している。また、支持台１６の下部には、粗
動シリンダ１２が連結され、粗動シリンダ１２の下部は
基台２０に取着されており、粗動シリンダ１２を操作し
て支持台１６をガイド１７に沿って上下動することによ
り、型セット１５を成形室１８内に挿入離脱させること
ができる。成形室１８は、密閉構造にされており、４本
のガイド１７によって支持されている。成形室１８の上
部には、下方に向かって上軸７がボルト１９によって固
着され、型セット１５が上昇したとき、上型１が当接で
きるようになっている。上軸７と下軸８とは、熱伝導率
の小さな材料であるステンレス鋼（熱伝導率約１５ｗ／
(m・K)）で形成されている。

【００１７】上軸７のアンダーカット部７ａには、接続
部材１１の第１段部１１ａが上下動自在に嵌装され、フ
ランジ部７ｂに当接して自重で落下しないようになって
いる。また、接続部材１１の下部には、第２段部１１ｂ
が形成され、下軸８が上昇することによって、下軸８の
外周面に、接続部材１１の第２段部１１ｂの内周面およ
び胴突き面が接触し、一体化して上昇する。接続部材１
１は、熱伝導率の大きなニッケル基合金（熱伝導率約１
２０ｗ／(m・K)）で形成されている。成形室１８の内側
面には、型セット１５を加熱するために、赤外線ヒータ
６が型セット１５を囲繞するように配設されている。図
１および図２に示すように、加熱時に影響がでないよう
に、接続部材１１の側面４ヶ所に切り欠き穴１１ｃが穿
設されており、赤外線の輻射熱を上型１、下型２および
ガラス素材４が直接吸収できるようになっている。同様
に、スリーブ３にも、接続部材１１の切り欠き穴１１ｃ
に対応して切り欠き穴３ａを設けて、赤外線の輻射熱を
上型１、下型２およびガラス素材４が直接吸収できるよ
うになっている。

【００１８】上型１、下型２には、それぞれ上温度セン
サ９、下温度センサ１０が内蔵されており、この温度信
号により加熱量が制御されている。また、成形室１８の
密閉空間には、非酸化性ガス導入口（図示省略）が配設
され、非酸化性ガス（例えば、窒素ガス）が導入される
と、非酸化性雰囲気に保持される。

【００１９】つぎに、上記成形装置を用いた光学素子の
成形方法について説明する。まず、下型２の上にガラス
素材４を載置し、次にスリーブ３を下型に嵌合させ、ス
リーブ３に上型１を挿入して、上型１、下型２、スリー
ブ３およびガラス素材４を一体化し、型セット１５を組
み立てる。型セット１５を下軸８の上に載置し、粗動シ
リンダ１２を駆動して上昇させ、加熱位置に待機させ
る。この時、上軸７に上下動自在に嵌装している接続部
材１１は、下軸８と接触して若干上昇し、上軸７と下軸
８とが熱的に連結される。この時点で、非酸化性ガス導
入口より、非酸化性ガス（本例では窒素ガス）を吐出
し、型セット１５を非酸化性雰囲気で覆う。所定の濃度
になったところで、赤外線ヒータ６にて型セット１５の
加熱を開始する。加熱時間は約５分で所望の成形温度ま
で上昇し、安定するまで更に２分程待機させる。

【００２０】加熱が完了した後、下軸８を微動シリンダ
５で上昇させ、型セット１５を上軸１５に当て付けて、
ガラス素材４を押圧してガラスレンズを成形する。押圧
が完了したら、ガラスレンズを冷却固化させる。本実施
の形態では、押圧後に赤外線ヒータ６をオフするだけの
自然冷却である。２０〜３０℃／分の速度で冷却が進
み、上軸７と下軸８との温度差（冷却速度差）分は接続
部材１１を通しての熱伝導で緩和されるため、上型１と
下型２との温度差を上温度センサ９と下温度センサ１０
とで確認したところ、冷却時の温度差は１℃以下に抑え
られていた。 この後、上型１と下型２との温度が、型
基材の酸化しない温度（本実施の形態では３００℃）ま
で降下した後、下軸８を下降させて型セット１５を成形
室１８の外に排出し、常温になったところで、型セット
１５を解体して成形されたガラスレンズを取り出し、成
形作業を完了する。

【００２１】このようにして成形されたガラスレンズ
は、安定して非常に良好な転写精度（ＰＶ値０．２μｍ
以下）を示している。ちなみに、接続部材１１が作用し
ない状況で実験した結果では、上型と下型との温度差は
約３〜４℃であり、転写精度はバラツキが大きく、ＰＶ
値で０．３〜０．９μｍであった。

【００２２】本実施の形態によれば、冷却時の温度分布
の発生を容易に防止し、転写精度の良好なガラスレンズ
が得られるとともに、これを簡易な装置で実現すること
ができる。これにより、生産設備費用および設計労力を
削減することもできる。特に上軸７、下軸８の形状や冷
却方法に対して設計時の配慮がなくても、上型１と下型
２との温度差を小さくすることができた効果は大きい。
また、高精度なアニールをしなくてもよいことから、サ
イクルタイムも大幅に短縮することができる。さらに、
直接転写精度には影響しないと思われるが、加熱時の上
下型間の温度上昇の差を、接続部材の影響で小さくする
ことができた。

【００２３】本実施の形態では、接続部材にはニッケル
基合金を用いたが、アルミニウム（熱伝導率約１３０ｗ
／(m・K)）や黄銅（熱伝導率約１３０ｗ／(m・K)）等、
熱伝導率が上軸および下軸より大きく、成形時の温度に
耐えられるものを用いても、同様の効果を得ることがで
きる。

【００２４】（実施の形態２）図３は実施の形態２を示
し、光学素子成形装置の型セット載置部分の縦断面図で
ある。本実施の形態は、実施の形態１の光学素子成形装
置とは、型セット載置部分のみが異なり、他は同一のた
め、異なる部分のみ示し、他の部分の図と説明を省略す
る。また、図３においても、実施の形態１と同一の部材
には、同一の符号を付し、説明を省略する。

【００２５】図３において、上型１の上面と下型２の下
面とには、スペーサとしての型スペーサ１４が固着され
ている。型スペーサ１４はマシナブルセラミックス（熱
伝導率約１．２ｗ／(m・K)）によって形成されている。
また、上型１と下型２との基材は、シリコンカーバイト
（熱伝導率約１４０ｗ／(m・K)）で形成されている。な
お、前述のように、上軸７と下軸８とはステンレス鋼
（熱伝導率約１５ｗ／(m・K)）、接続部材１１はニッケ
ル基合金（熱伝導率約１２０ｗ／(m・K)）で形成されて
いる。その他の構成は実施の形態１の光学素子成形装置
と同様である。

【００２６】上記成形装置を用いた光学素子の成形方法
は実施の形態１と同様のため、その説明は省略する。し
かし、成形装置の構成の異なる部分は作用が異なるの
で、これについて説明する。上型１と上軸７との間およ
び下型２と下軸８と間に、それぞれ熱伝導率の小さな材
料からなる型スペーサ１４が介在することになるので、
上型１と上軸７との間および下型２と下軸８と間の熱伝
導は緩やかに行われる。実際には上型１および下型２の
基材の熱伝導率は高いが、上軸７および下軸８に接触す
る型スペース１４の熱伝導率を、接続部材１１の熱伝導
率より小さくすることにより、接続部材１１の作用によ
る上軸７と下軸８との間の温度差の緩和が十分に行わ
れ、冷却時における上型１と下型２との間の温度差を生
じさせないことになる。

【００２７】本実施の形態によれば、実施の形態１の効
果に加え、熱伝導率の大きな材料を成形型の基材とした
場合でも、成形されるガラスレンズに温度分布を生じさ
せずに自然冷却を容易に行うことができる。

【００２８】本実施の形態では、型スペーサの材料にマ
シナブルセラミックス（熱伝導率約１．２ｗ／（Ｍ・
Ｋ））を用いたが、熱伝導率が接続部材１１の熱伝導率
よりも小さく、成形温度に耐える材料を用いても、本実
施の形態と同様の効果を得ることができる。また、本実
施の形態では、型スペーサを上下型の上下軸との接触面
に固着したが、逆に上下軸の上下型との接触面に固着し
てもよい。

【００２９】

【発明の効果】請求項１または２に係る発明によれば、
上軸と下軸とを熱的に一体化し、これに接触する一対の
成形型間の温度差を最小にするので、冷却時の温度分布
の発生容易に防止し、転写精度の良好な光学素子を得る
とともに、これを簡易な装置で実現することができる。
請求項２に係る発明によれば、上記効果に加え、各成形
型と上軸または下軸との間の熱伝導を制約するので、熱
伝導率の大きな材料を成形型の基材とすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１の光学素子成形装置の縦断面図で
ある。

【図２】実施の形態１の接続部材の斜視図である。

【図３】実施の形態２の光学素子成形装置の型セット載
置部分の縦断面図である。

【図４】従来技術の成形装置の縦断面図である。

【符号の説明】

１ 上型 ２ 下型 ４ ガラス素材 ７ 上軸 ８ 下軸 １１ 接続部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラス素材を加熱軟化し、一対の成形型
   で押圧してなる光学素子成形装置において、 前記一対の成形型を押圧する上軸と下軸とが、該上軸お
   よび下軸の熱伝導率より大きな熱伝導率の材料からなる
   接続部材で接続されていることを特徴とする光学素子成
   形装置。
2. 【請求項２】 前記一方の成形型と前記上軸との間およ
   び他方の成形型と前記下軸との間に、それぞれ前記接続
   部材の熱伝導率より小さな熱伝導率の材料からなるスペ
   ーサを設けたことを特徴とする請求項１記載の光学素子
   成形装置。