JP2005035859A - 光学素子の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス材料を加熱する加熱工程において、そのガラス材料の内部から成分が飛散し、これが光学素子の表面に曇りやシミとなる外観特性の不良を解決し、光学素子の生産性向上を図る。
【解決手段】成形ブロック内に投入したガラス材料の加熱工程において、上型を吸引する吸引装置を設け、加熱時にこの吸引装置により上型を吸引してその上型のレンズ成形面とガラス材料との間に所定の間隙を設けることにより、ガラス材料の集中加熱によるガラス成分の飛散を防止するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばデジタルカメラやビデオカメラ等の光学機器に使用されるガラスレンズ、すなわち光学素子の製造方法および製造装置に関する。

従来からガラス材料により、光学素子（以下、レンズと称す）を精度よく精密成形する提案は数多くなされている。特許文献１に開示されているものもその一例である。

図３を用いて従来のレンズの成形について説明する。図３は従来のレンズ成形装置の要部概略断面図であり、この図３ではレンズ成形工程のうち、加熱工程を示している。

成形装置１の基台２上にはヒータ３が埋設された下側加熱部材４が固定されており、一方、下側加熱部材４の上方には駆動軸５と一体のフランジ６にヒータ７が埋設された上側加熱部材８が固定されている。前記駆動軸５は油圧シリンダーやエアーシリンダー等のプレス駆動源９に連接されており、このプレス駆動源９により駆動軸５と共に上側加熱部材８は上下に移動可能で、かつ所定位置に停止手段（図示せず）によって停止されるようになっている。レンズを成形するための成形ブロック１０は下型１１に嵌合する胴型１２とその胴型１２に嵌合して上下に移動可能な上型１３から構成されている。なお、１４は前記成形ブロック１０内に投入されたガラス材料である。

１５はレンズ成形を窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中で行うためのチャンバーであり、前記成形ブロック１０等はこのチャンバー１５内に置かれている。図示しないが上側加熱部材８および下側加熱部材４は温度検知と温度制御用の熱電対によって温度管理がなされる。

レンズ成形は、主として成形ブロック１０内へのガラス材料１４の投入工程、上側加熱部材８と下側加熱部材４によるガラス材料１４の加熱工程、加熱後の押圧工程、そして冷却工程からなるが、加熱工程では図３のように上型１３の凸面状のレンズ成形面１３ａがガラス材料１４の平面状の表面１４ａにほぼ点接触で当接状態にあり、このため成形条件によっては、上型１３の過重がガラス材料１４の表面１４ａの中心部に集中し、この状態でガラス材料１４が急激に加熱されるとその表面中心部に荷重によると思われる痕（微少なクラック）が成形レンズに発生するという問題が生じていた。

さらに、上記のように上型１３の凸面状のレンズ成形面１３ａがガラス材料１４の平面状の表面１４ａに接触状態でこのガラス材料１４が集中加熱されると、プレス荷重をかけてガラス材料１４を変形させようとした時に、そのガラス材料１４の内部からこれを構成する特定成分が飛散し、その飛散物がレンズ成形面１３ａとガラス材料１４の表面１４ａとの間に閉じ込められ、成形されたレンズの表面に曇りやシミが発生し、レンズとしての外観特性が著しく低下されるという大きな問題も生じていた。
特開平１−１５３５４２号公報

本発明は、加熱工程で上型のレンズ成形面がガラス材料の表面に当接していることにより発生すると考えられる荷重痕の発生や、レンズの表面に曇りやシミのないレンズを成形するものである。

本発明は、上型および下型と、少なくとも前記上型を摺動案内する胴型とで形成された成形ブロックの内部空間にガラス材料を投入し、前記成形ブロック内のガラス材料を加熱し、かつ前記ガラス材料を上型と下型とで押圧して光学素子をチャンバー内の不活性ガス雰囲気中で製造する製造方法であって、前記成形ブロック内のガラス材料の加熱工程では上記上型を吸引装置により吸引して前記上型のレンズ成形面と前記ガラス材料との間に間隙を設けることを特徴とする光学素子の製造方法である。

また、本発明は、上型および下型と、少なくとも前記上型を摺動案内する胴型とで形成された成形ブロックと、前記成形ブロック内に投入されたガラス材料を加熱する加熱部材と、前記ガラス材料を上型と下型との間で押圧するプレス装置を備えた成形装置を不活性ガス雰囲気中のチャンバー内に加熱工程用、押圧工程用、冷却工程用にそれぞれ備え、前記成形ブロックが所定のサイクルで前記加熱工程、押圧工程、冷却工程に順次搬送されて上記ガラス材料から光学素子を成形する光学素子の成形装置であって、前記加熱工程に供される成形装置の成形ブロック内のガラス材料の加熱時にその上型を吸引して該上型のレンズ成形面と前記ガラス材料との間に間隙を設けるための吸引装置を設けたことを特徴とする光学素子の製造装置である。

さらに、本発明は、冷却工程では成形ブロックに不活性ガスを吹き付けてその成形ブロックの冷却を促進するようにしたものである。

この本発明によれば、ガラス材料の加熱工程では上型を吸引してそのレンズ成形面とガラス材料との間に間隙を設けるようにしたことにより、成形されたレンズに荷重痕や、レンズ表面に曇り、シミ等の発生がなく、したがって透過率低下のない外観特性に優れたレンズを得ることができるものである。

また、加熱部材に設けた吸引装置と接続する吸引開口により上型を吸引してこの上型を加熱部材に吸着するようにすれば、吸引と吸引停止の単純な制御でもって上型とガラス材料との間の間隙を常に一定に保持してガラス材料の加熱条件を常に一定に保つことができるため、動作制御が確実で成形精度の高い光学素子の成形装置が得られる。また、冷却時には加熱部材の吸引開口を利用して不活性ガスを成形ブロックに吹き付けることで、冷却促進が可能となり、光学素子の生産性が向上するものである。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１を示すレンズ成形装置の要部概略断面図であり、この図１はレンズ成形工程のうち、加熱工程を示している。そして図３に示した従来の装置と同一構成部分には同一符号が附してあり、その説明は省略し、異なる部分について説明する。

図１において、上側加熱部材８の下面中心部には円錐形状の吸引開口２０が設けてあり、そしてこの吸引開口２０はフランジ６および駆動軸５の中心部を通り、駆動軸５の側面に開孔する吸引孔２１と連通している。前記吸引孔２１は可撓性を有するパイプ２２を介して例えば真空ポンプやコンバムといった外部の吸引装置２３にバルブ２４を経由して連接されていると共に、バルブ２５を介して窒素ガス等の不活性ガスを供給するガス供給装置２６に接続されている。

加熱工程では図１に示すように、バルブ２５は閉じられ、バルブ２４が開放されて吸引装置２３により成形ブロック１０の上型１３は上側加熱部材８の吸引開口２０によってその上側加熱部材８に吸着され、上型１３のレンズ成型面１３ａとガラス材料１４の表面１４ａとの間に所定寸法の間隙が形成されるように上側加熱部材８、フランジ６が停止手段（図示せず）により停止されるように構成されている。

上記のように、加熱工程では上型１３を持ち上げてガラス材料１４に非当接状態とすることにより、ガラス材料１４が集中過熱されるようなことがなくなり、このため従来装置で発生していた荷重痕や、曇りやシミのないレンズの成形がなされるものである。

前記加熱工程の後、プレス駆動源９により駆動軸５と共に上型１３を下方に移動させてその上型１３と下型１１によってガラス材料１４を成形する押圧工程に移り、そして押圧工程の後冷却工程に移る。前記押圧工程ではプレス駆動源９によって上側加熱部材８により上型１３を直接押圧してガラス材料１４を押圧するため、上記吸引装置２３による上型１３の吸引はバルブ２４を閉じて停止させても、あるいはそのまま吸引状態を維持させておいてもいずれであってもよい。

しかし、冷却工程においてはバルブ２４を閉じて上型１３の吸引を停止し、バルブ２５を開いて吸引孔２１、吸引開口２０を通してガス供給装置２６から成形ブロック１０に不活性ガスを吹き付けることにより、成形ブロック１０の冷却を促進することができ、これによりレンズの冷却時間が短縮されるため、生産効率が向上するものである。

なお、冷却工程が終了すれば上型１３を上方に移動させて成形ブロック１０内から成形されたレンズが取り出される。

ここでレンズ成形について、具体的に説明すると、ガラス材料１４として硼珪酸系組成に、酸化タングステン（ＷＯ₃）や酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₃）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）等が含有された光学ガラス材料（屈伏温度：５５９℃、転移温度：５２８℃）を用いた。上型１３のレンズ成形面１３ａにはガラス材料１４との溶着を防止するために金属保護膜が形成されている。下型１１の成形面は例えば平面であり、上型１３と同様の保護膜が形成されている。

胴型１２は上型１３および下型１１と同様の材料を用い、その上型１３、下型１１との嵌合および摺動が精度よく行えるように精密な内面加工が施されている。

次に、上記実施の形態１によるレンズ成形と従来のレンズ成形との比較例について説明する。上記実施の形態１のように、上型１３のレンズ成形面１３ａとガラス材料１４の表面１４ａとの間に２ｍｍ以下の間隙を設けた成形条件Ａと、上型１３のレンズ成型面１３ａとガラス材料１４の表面１４ａとを接触させた従来の成形条件Ｂによってそれぞれ２０個のサンプルレンズを成形し、曇りやシミの発生状況を調べた。なお、ともに成形温度はガラス材料の軟化温度近傍の５８５℃で、圧力条件は変形圧力１５００Ｎで行った。その結果、成形条件Ａでは全てのサンプルレンズについて曇りや黒シミの発生は確認できなかった。一方、成形条件Ｂの全てのサンプルレンズの凹面側の表面には形や大きさおよび濃度の異なる黒いシミが発生していた。

上記の成形条件Ａは局部的な加熱を避けることで、ガラス材料１４全体の温度が均一化され、実質的な最高温度が低下したことによって、ガラス成分の飛散が抑制され、その結果レンズの外観特性に大きな違いが現れたものと考えられる。そして成形されたレンズ面を光干渉計で測定したところ成形条件による差は両者に見られなかったが、実用上ではシミの発生したものは検査で不合格とするのが望ましい。

なお、加熱工程における上型１３のレンズ成形面１３ａとガラス材料１４の表面１４ａ間の間隙寸法は熱効率の点では極力少ない方が望ましいが、ガラス材料の形状や材質、および成形ブロック全体の加熱バランスを考慮して適宜選択すればよい。

ここで、成形装置１によるレンズ成形の一連の動作において、特にプレス駆動源９により駆動軸５と一体に上下に移動するフランジ６および上側加熱部材８の移動制御とバルブ２４の開閉制御、またバルブ２５の制御等は自動制御手段（図示せず）によってタイミングよく自動的に動作制御される。

また、例えば加熱工程においては、上側加熱部材８の停止位置を精度よく設定しておけば、この上側加熱部材８に対する上型１３の吸着停止位置も精度がよく、したがってガラス材料１４の表面１４ａと上型１３のレンズ成形面１３ａとの間の間隙は常に定寸法に保たれるため、加熱条件が常に安定し、精度のよいレンズ成形が行われるものである。なお、これらは以下に説明する実施の形態２においても同様である。
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２を示すレンズ成形装置の要部概略断面図であり、この実施の形態２はレンズ成形工程である加熱工程（Ａ）、押圧工程（Ｂ）、冷却工程（Ｃ）をそれぞれチャンバー１５内に設け、成形ブロックを順次移動させて連続的にレンズ成形を行うようにしたものである。なお、この図２において、図１に示した成形装置と同一構成部分には同一符号が附してあり、その説明は省略し、異なる部分について説明する。

図２において、加熱工程（Ａ）のレンズ成形装置を１ａ、成形ブロックを１０ａ、押圧工程（Ｂ）のレンズ成形装置を１ｂ、成形ブロックを１０ｂ、冷却工程（Ｃ）のレンズ成形装置を１ｃ、成形ブロックを１０ｃで示している。そして加熱工程（Ａ）の成形装置１ａおよび押圧工程（Ｂ）の成形装置１ｂは図１の実施の形態１で説明したバルブ２５とガス供給装置２６は特に必要がないため、備えてはいない。

そして、この実施の形態２では成形ブロック１ａ、１ｂ、１ｃは図示しない移動手段、例えば移動棹により押圧工程（Ｂ）、冷却工程（Ｃ）、加熱工程（Ａ）へと順次移動されるようになっている。

以下、動作について説明する。ここでは加熱工程（Ａ）から始まる成形ブロック１０ａについて説明する。なお、図２では押圧工程（Ｂ）および冷却工程（Ｃ）に成形ブロック１０ａよりも先行する成形ブロック１０ｂおよび１０ｃが示してある。

図２において、ガラス材料１４が投入された成形ブロック１０ａが加熱工程（Ａ）の下側加熱部材４上に載置されたことを検知すると、プレス駆動源９により駆動軸５を徐々に下降させ、上側加熱部材８を上型１３に接触させる。この時例えば上記成形ブロック１０ａが下側加熱部材４上に載置されたことの検知により既にバルブ２４が開かれていることによって、真空ポンプ等の吸引装置２３は吸引開口２０により上型１３を上側加熱部材８に吸着する。そして上型１３の吸着を感知した後、駆動軸５を所定位置まで上昇させて停止させる。

これにより、上型１３のレンズ成形面１３ａとガラス材料１４とは駆動軸５に設定された停止位置により所定の間隙を有し、ヒータ３および７の通電によりガラス材料１４は加熱される。上記加熱工程は、ガラス材料の軟化温度近傍の５９０℃の定常温度で３分間保持され、その後、バルブ２４を閉じて上型１３の吸引を解除し、成形ブロック１０ａを押圧工程（Ｂ）に移動させて下側加熱部材４上に載置する（成形ブロック１０ｂの位置）。そして、ここでプレス駆動源９により１０００Ｎの押圧力で３分間上型１３と下型１１とによりガラス材料１４を押圧してレンズを成形する。なお、押圧工程（Ｂ）では加熱部材４，８は５９０℃の定常温度に設定されている。

上記押圧工程（Ｂ）を終了した成形ブロック１０ａは、上側加熱部材８が上方に所定位置まで上昇された後、ガラス転移点近傍に温度設定された冷却工程（Ｃ）の下側加熱部材４上に移動される（成形ブロック１０ｃの位置）。そしてここで成形ブロック１０ａ全体は３分間かけて冷却される。この冷却工程（Ｃ）では上側加熱部材８は所定位置まで上昇されてその上側加熱部材８と上型１３との間に間隙が形成された状態にあり、バルブ２５を開放して吸引開口２０から成形ブロック１０ａにガス供給装置２６から不活性ガスを吹き付け、成形ブロック１０ａの冷却促進を行う。その後、レンズ成形を終えた成形ブロック１０ａを取り出して分解し、レンズを取り出す。

なお、上記は１つの成形ブロック１０ａによりレンズを成形する工程について説明したが、これよりも先行する成形ブロック１０ｂ、１０ｃも上記成形ブロック１０ａと同様に各工程を移動することによってレンズが成形される。

上記押圧工程（Ｂ）の成形装置１ｂには吸引装置２３を含む吸引開口２０などは別段なくてもよく、さらに冷却工程（Ｃ）の成形装置１ｃには吸引装置２３は必ずしも設けなくてもよい。

また、各工程における所要時間を３分間の同一としたことにより、成形ブロックを成形装置に連続移動させて順次レンズ成形が行えるので、生産性が著しく向上する。

上記実施の形態２によって成形されたレンズの精度、表面の曇りや、シミを評価したところ、曇りやシミがなく、実施の形態１と同様の結果を得ることができた。したがって、外観特性の良好なレンズを生産性よく製造することができるという効果が得られるものである。

上記の説明では、成形ブロックの移動手段は、例えばシリンダーによる突き出し方式等であってもよく、一定時間毎に成形ブロックを搬送できる機構であればよい。また、加熱部材の温度検知や温度制御および圧力設定や位置制御などは通常の一般的機構手段と制御手段が用いられる。

さらに、上記各実施の形態では、駆動軸には両ロッド形式のエアーシリンダーを連結し、ロッド部のネジやフォトセンサーなどを用いて高さ調整、即ち上型１３のレンズ成型面１３ａとガラス材料１４との間隙を制御するようにしており、またパイプ２２は駆動軸５の上下の移動を可撓性により許容するようにしたが、これは駆動軸５と一体に吸引装置２３、バルブ２４および２５、ガス供給装置２６が移動するようにすればパイプ２２の可撓性は必ずしも必要はない。

本発明の光学素子の製造方法および製造装置は、特に外観特性の良好な品質が優れたレンズを生産性よく製造することができるものである。

本発明の実施の形態１を示すレンズ成形装置の要部概略断面図 本発明の実施の形態２を示すレンズ成形装置の要部概略断面図 従来のレンズ成形装置の要部概略断面図

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ 成形装置
２ 基台
３、７ ヒータ
４ 下側加熱部材
５ 駆動軸
８ 上側加熱部材
９ プレス駆動源
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 成形ブロック
１１ 下型
１２ 胴型
１３ 上型
１３ａ レンズ成形面
１４ ガラス材料
１５ チャンバー
２０ 吸引開口
２１ 吸引孔
２２ パイプ
２３ 吸引装置
２４、２５ バルブ
２６ ガス供給装置

Claims (5)

1. 上型および下型と、少なくとも前記上型を摺動案内する胴型とで形成された成形ブロックの内部空間にガラス材料を投入し、前記成形ブロック内のガラス材料を加熱し、かつ前記ガラス材料を上型と下型とで押圧して光学素子をチャンバー内の不活性ガス雰囲気中で製造する製造方法であって、前記成形ブロック内のガラス材料の加熱工程では上記上型を吸引装置により吸引して前記上型のレンズ成形面と前記ガラス材料との間に間隙を設けることを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 上型と下型との間で押圧成形されたレンズを冷却する冷却工程では、成形ブロックに不活性ガスを吹き付けて冷却を促進するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
3. 上型および下型と、少なくとも前記上型を摺動案内する胴型とで形成された成形ブロックと、前記成形ブロック内に投入されたガラス材料を加熱する加熱部材と、前記ガラス材料を上型と下型との間で押圧するプレス装置を備えた成形装置を不活性ガス雰囲気中のチャンバー内に加熱工程用、押圧工程用、冷却工程用にそれぞれ備え、前記成形ブロックが所定のサイクルで前記加熱工程、押圧工程、冷却工程に順次搬送されて上記ガラス材料から光学素子を成形する光学素子の成形装置であって、前記加熱工程に供される成形装置の成形ブロック内のガラス材料の加熱時にその上型を吸引して該上型のレンズ成形面と前記ガラス材料との間に間隙を設けるための吸引装置を設けたことを特徴とする光学素子の製造装置。
4. 加熱工程に供される成形装置にプレス駆動源の駆動軸に連接されて上下に移動可能な加熱部材を設け、前記加熱部材に吸引装置と接続する吸引開口を設け、ガラス材料の加熱時には前記加熱部材の吸引開口により上型を吸引して該上型を加熱部材に吸着するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の光学素子の製造装置。
5. 冷却工程に供される成形装置の成形ブロックに不活性ガスを吹き付けてその成形ブロックの冷却を促進するガス供給装置を設けたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の光学素子の製造装置。

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