JP2005314146A - 光学素子の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス素材の押圧成形に用いる外周規制部材の稜線部と成形型の成形面との間にガラス素材が侵入することを防止して、光学素子を高精度に成形する。
【解決手段】加熱軟化されたガラス素材４を一対の成形型１，２によって押圧成形することにより所望の光学素子とする。ガラス素材４の光学機能面以外の部位にカーボン粒子を含む液体を塗布する塗布工程と、一対の成形型１，２を相対的に近接する方向に移動させることにより液体が塗布されたガラス素材４を押圧する押圧工程と、押圧工程の継続により、ガラス素材４を成形型１，２の移動方向に対して略垂直方向に流動させてガラス素材４の外側に配設された外周規制部材３に接触させる接触工程とによって成形する。
【選択図】図４

Description

本発明は、加熱軟化されたガラス素材を一対の成形型により押圧成形して光学素子とする光学素子の成形方法に関する。

凹レンズ等の光学素子を高精度に成形する必要がある場合、成形中の加熱軟化したガラス素材の外周を外周規制リングによって規制することにより、外周部の転写圧力を確保している。

しかしながら、外周規制リングを用いる場合には、押圧成形時のガラス素材の流動過程において、成形型と外周規制リングの稜線部とによって形成されるリング状の線接触部位に加熱軟化したガラス素材が圧接することにより外周規制リングが浮いて隙間が生じ、この隙間にガラス素材が入り込むことがある。このようなガラス素材の入り込みがあると、成形されたガラス素子の取り出しが不可能となっている。

また、隙間に侵入することによって、成形後の光学素子の外周部に鋭角な部位が形成されるため、光学素子の外周部の一部が欠けたり、欠けたガラス破片を介してガラス素材が成形型へ焼き付いたりするため、光学素子の外観不良等を生じている。

特許文献１には、このような問題を解決する光学素子の成形方法が開示されている。この方法は、成形型と外周規制リングの稜線部とが型部材に対してリング状に線接触し、なおかつ外周規制リングを型部材に対して密着する方向に圧接された状態で固定するものである。これにより、外周規制リングの稜線部と成形型の成形面とによって形成されるリング状の線接触部位への加熱軟化したガラス素材の侵入を防ぎ、成形される光学素子のバリや欠けの発生を抑制している。
特開平９−３２８３２３号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、常温で圧接して外周規制リングの稜線部と成形型の成形面をリング状に線接触させた状態を形成しても、ガラス素材の押圧成形可能な温度においては、成形型と外周規制リングとの間に温度分布が生じる。この結果、それぞれを構成する材料の線膨張差によって圧接状態が緩み、成形型と外周規制リングの稜線部とがなすリング状の線接触部に隙間が生じ、この隙間に加熱軟化されたガラスが侵入して光学素子の外周部に鋭角な部分が形成され、光学素子の取り出し時に破損して不良となる問題を有している。

また、外周規制リングの鋭角な稜線部を成形型の成形面に圧接するため、成形面にキズ等を付け易く、これにより型の劣化を早める問題も有している。

本発明は、このような問題点を考慮してなされたものであり、外周規制リングの稜線部と成形型の成形面とがリング状に線接触していなくても、押圧成形中に加熱軟化されたガラス素材が隙間に侵入することを防止でき、これにより、光学素子の外周部の破損及び破損に基づくガラス素材の破片が光学素子の光学機能面に転写して外観不良になることを防止することが可能な光学素子の成形方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、加熱軟化されたガラス素材を一対の成形型によって押圧成形することにより所望の光学素子とする光学素子の成形方法において、前記ガラス素材の光学機能面以外の部位にカーボン粒子を含む液体を塗布する塗布工程と、前記一対の成形型を相対的に近接する方向に移動させることにより前記液体が塗布されたガラス素材を押圧する押圧工程と、前記押圧工程の継続により、前記ガラス素材を成形型の移動方向に対して略垂直方向に流動させてガラス素材の外側に配設された外周規制部材に接触させる接触工程と、を有することを特徴とする。

このような構成とすることにより、請求項１記載の発明では、外周規制部材とガラス素材との滑りが良好となる。ガラス規制部材を稜線部と成形型の成形面との隙間にガラスが侵入することない状態で、ガラスを流動させることができる。このため、成形される光学素子の外周部にバリが発生したり、焼き付きが生じることがなく、不良の発生を防止できると共に、光学素子の取り出しを円滑に行うことができる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の光学素子の成形方法であって、前記ガラス素材への液体の塗布量を変更することにより、前記外周規制部材に接触したガラス素材の流動方向を制御することを特徴とする。

請求項２記載の発明では、光学素子の形状や硝種を変更したり、外周規制部材や成形型の形状を変更しても、カーボン粒子を含んだ液体の塗布量を変更することにより対応することができるため、外周規制部材の稜線部と成形型と成形面との間の隙間にガラスが侵入することを阻止することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の光学素子の成形方法であって、前記外周規制部材の内周面は、前記所望の光学素子の外周面に対応した形状であることを特徴とする。

請求項３記載の発明では、外周規制部材の内周面が光学素子の外周面に対応することにより、バリ等の欠陥のない光学素子を成形することができる。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子の成形方法であって、前記外周規制部材が前記一対の成形型の下型の外周に配置され、一対の成形型の上型の外周と外周規制部材との間にガラス素材が流動する空間を設けていることを特徴とする。

請求項４記載の発明では、上型の外周と外周規制部材との間に設けた空間に硝子素材が反りながら流動するため、大きな偏肉や大きな流動を必要とする大口径の光学素子を成形することができる。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子の成形方法であって、前記ガラス素材の成形条件を変更することにより、前記外周規制部材に接触したガラス素材の流動方向を制御することを特徴とする。

この請求項５におけるガラス素材の成形条件としては、押圧成形時の一対の成形型の温度、一対の成形型の温度差、押圧成形時の圧力、その他の条件を適宜選定することができる。

このように成形条件を変更することにより、請求項５記載の発明では、押圧成形時におけるガラス素材の流動を上型の方向へ反らせることができ、不良の発生をさらに効果的に防止することができる。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子の成形方法であって、前記接触工程におけるガラス素材が接触する外周規制部材の表面粗さＲａが０．６μｍ以下であることを特徴とする。

請求項６記載の発明では、外周規制部材とガラス素材との間の摩擦抵抗が低減されるため、外周規制部材の稜線部と成形型と成形面との間の隙間から遠ざける方向へガラス素材を流動させることができる。

請求項１記載の発明によれば、光学素子の外周を規制する外周規制部材の稜線部と成形型の成形面との隙間に加熱軟化したガラス素材が侵入しないため、成形後の光学素子の取り出しをスムーズに行うことができるとともに、光学素子の外周部の鋭角部位が欠けるなどのバリが発生することがなく、バリに起因したガラス素材の破片の焼付きが生じないばかりでなく、焼付きが光学素子に張り付くことによる外観不良等の不良を低減でき、生産性が向上する。

また、請求項１記載の発明では、成形型と外周規制部材を線接触させる必要がないため、成形型へのキズの発生を防止でき、成形型の劣化を防止することができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、用いるガラスの材料の変更、成形する光学素子の形状さらには成形型及び外周規制部材の形状等の変更に対応することができる。

請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、光学素子をさらに高精度に成形することができる。

請求項４記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、大きな偏肉や大きな流動を必要とする大口径の光学素子の成形にも適用することができる。

請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、成形条件による反りの効果が加わるため、不良の発生をさらに確実に抑制することができる。

請求項６記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、ガラス素材が接触する外周規制部材の接触部位の表面粗さが良くなるため、加熱軟化したガラス素材の滑りがさらに向上し、不良の発生をさらに低減することができる。

図１〜図４は、本発明の一実施の形態における光学素子の成形方法であり、 図１は成形前の一対の成形型を示す断面図、図２は成形されるガラス素材の形状を示す側面図、図３は成形装置の全体断面図、図４は押圧成形時における状態を示す断面図である。

図１に示すように、光学素子を押圧成形する一対の成形型は、上型１と下型２とが対向することにより構成されている。下型２の外周側面を衝として外周規制部材としての円筒形状の外周規制リング３が配置されている。下型２上には、上下型１，２の中心線とガラス素材４の中心線とが一致するようにガラス素材４が載置されている。外周規制リング３の稜線部６と下型２の成形面２ｃの間には、加工公差により、０．１ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度の隙間が形成されている。

図３に示すように、上型１は、ガラス素材４を成形するための成形面部１ａ及び成形面部１ａよりも外径が大きい円柱形状の本体部１ｂから構成されている。また、下型２も上型１と同様に、成形面部２ａ及び本体部２ｂから構成されている。

上型１の成形面部１ａは、ガラス素材４を成形する曲面（この実施の形態では凸状）である成形面１ｃ及び後述するガラス素材４の押圧時に外周規制リング３の上面との間に空間を設けるための平面１ｄを有している。下型２の成形面部２ａは、ガラス素材４を成形する曲面（この実施の形態では凹状）である成形面２ｃと、外周規制リング３が載置される平面２ｄと、外周規制リング３の段部３ａが嵌合する外周面２ｅとを有している。

加熱軟化したガラス素材４と接触する外周規制リング３における内側面（内周面）５の表面粗さは、算術平均粗さＲａで０．６μｍ以下の粗さに加工されるものであり、これにより、外周規制リング３の内側面５は所望とする光学素子の外径形状精度に合わせて加工されている。外周規制リング３の内側面５の表面粗さＲａを０．６μｍ以下としたのは、０．６μｍよりも大きいと、ガラス素材４との摩擦抵抗が大きくなり、ガラス素材４の流動が滑らかにならないためである。

上型１、下型２、スリーブ１０（図３参照）及び外周規制リング３の材質は、超硬合金が使用されている。スリーブ１０は、上型１の外側に嵌合された状態でねじ等で固定されており、内部に上下型１，２の本体部１ｂ，２ｂを嵌合させることにより、上下型１，２の中心軸が一致するようになっている。また、このスリーブ１０は、上下型１，２の間の傾き及び水平方向のずれを規制する。

図２に示すように、ガラス素材４における光学機能面以外の部位である外周部７には、カーボン粒子を含んだ液体が一定量で塗布される。

成形装置は、図３に示すように、上型１が上プレス軸８ａに固定され、上プレス軸８ａが天板１６の中心に設けられた貫通孔を貫通して駆動手段としてのエアーシリンダー９に連結されることにより上下動自在となっている。天板１６の貫通孔の内部には、上軸Ｏリング１５が設置されており、上プレス軸８ａの側面との隙間をシールしている。このシール部の下側には、天板１６の貫通孔よりも大径の上軸ツバ部２０が固定されている。

下型２は下プレス軸８ｂに固定されている。下プレス軸８ｂは図示されていない本体フレームに取り付けられた下板１９に固定されている。

スリーブ１０の外側には、石英ガラス管１４が設置されている。石英ガラス管１４における上下端部は開放されており、上端部が天板１６に固定され、下端部が下板１９に設けられた石英ガラス管用Ｏリング１８に接触し、これにより石英ガラス管１４の内部を密閉状態とすることが可能となっている。天板１６と下板１９との間の石英ガラス管１４の内部には、図示されていない供給孔、排気孔が設けてあり、石英ガラス管１４の下端部を石英ガラス管用Ｏリング１８に接触して載置する際に、密閉された内部の雰囲気を窒素などの非酸化性雰囲気に置換できるようになっている。

石英ガラス管１４の外側には、上下型１，２及びスリーブ１０を加熱する赤外線ヒータ１１が炉壁１７に固定されている。炉壁１７の上端部は天板１６に固定され、炉壁１７の下端部は下板１９に載置されている。天板１６、炉壁１７、赤外線ヒータ１１から構成される炉部は、エアシリンダー９の上昇動作により上プレス軸８ａに固定した上軸ツバ部２０によって吊り上げられる。

上下型１，２の内部には、上下プレス軸８ａ、８ｂの内部を貫通した型加熱ヒータ１２と温度コントロール用の熱電対１３とが挿入されている。型加熱ヒータ１２と熱電対１３は、石英ガラス管１４内を密閉できるように上下プレス軸８ａ、８ｂ内でシールされて固定されている。

次に、この実施の形態による光学素子の成形方法を説明する。

図２に示すように、ガラス素材４の外周部７にカーボン粒子を含んだ液体を塗布した後、図１に示すように、ガラス素材４を下型２の中心部に載置する。

エアーシリンダー９を駆動することにより、上型１及びスリーブ４を一体的に下降させるとともに上プレス軸８ａの上軸ツバ部２０が吊り下げている炉部を下降させ、石英ガラス管１４の下端部を石英ガラス管用Ｏリング１８に、炉壁１７の下端部を下板１９にそれぞれ接触させる。そして、密閉された石英ガラス管１４の内部を図示していない供給孔、排気孔によって非酸化性雰囲気に置換する。

赤外線ヒータ１１及び型加熱ヒータ１２によって、上型１、下型２、スリーブ１０、ガラス素材４、外周規制リング３をガラス素材４の転移点以上、軟化点以下の温度まで加熱する。ガラス素材４が所望の温度に達して軟化した時点でエアーシリンダー９により、上プレス軸８ａを介して上型１を下降させることによりガラス素材４への押圧成形を開始する。

加熱軟化したガラス素材４は、中心部から押圧されるため、ガラス素材４の外形方向（型の移動方向に対して略垂直方向）にガラスが流動し、さらに押圧を継続することにより、ガラス素材４の外周部７は外周規制リング３の内側面５に接触する。

接触後は、図４に示すように、加熱軟化したガラス素材４の外周部７は軟化したガラスの流動に対して抵抗が少ないため、外周規制リング３の内側面５を滑りながら外周規制リング３と上型１の外周部とによって形成されている空間側へ流動する。このため、軟化したガラスの流動に対して抵抗が大きい外周規制リング３の稜線部６と下型２の成形面２ｃとからなる狭い隙間内に流動して侵入することがない。

このとき、外周規制リング３の内側面５とガラス素材４の外周部７の接触面との間にはカーボン粒子が介在し、これらの摩擦抵抗を低減させる。このため、外周規制リング３の内側面５を軟化したガラス素材４の外周部７が伝って滑ることを促進し、外周規制リング３の稜線部６と下型２の成形面２ｃとからなる狭い隙間に軟化したガラス素材４が侵入することがさらに阻止される。

また、例えば、下型２の成形温度を上型１よりも１℃ないしは２℃低く設定することも可能であり、これにより、軟化したガラス素材４のガラス粘度に故意に分布を発生させて成形中のガラス素材４を上型１側に反らせて成形を行うことができる。このように上下型１，２の間の温度差を設ける制御を行うことにより、外周規制リング３の稜線部６と下型２の成形面２ｃとからなる狭い隙間に、軟化したガラス素材４が侵入することをさらに確実に阻止することが可能となる。

また、単位面積あたりの成形圧力を１ｋｇ／ｃｍ^２ないしは２ｋｇ／ｃｍ^２高くすることで、軟化したガラス素材４に与える曲げ応力を増加させることも可能である。このような制御により、ガラス素材４の外周部が上方向に流動するため、外周規制リング３の稜線部６と下型２の成形面２ｃとからなる狭い隙間に、軟化したガラス素材４が侵入することをさらに確実に阻止することができる。

所望の中心肉厚までガラス素材４を押圧成形した後、赤外線ヒータ１１、型加熱ヒータ１２の出力を切り、冷却を開始する。そして、上下型１，２及びスリーブ１０が酸化しない温度まで冷却した時点で、エアーシリンダー９を駆動することにより、上型１、上プレス軸８ａを上昇させて、炉部を吊り上げ、押圧成形された光学素材を下型２から取り出す。

以上に加えて、この実施の形態では、所望とする光学素子の形状や硝材に変更がある場合には、成形前にガラス素材４の外周部７に塗布するカーボン粒子を含んだ液体の塗布量や塗布領域を調整する。これにより、外周規制リング３の稜線部６と下型２の成形面２ｃとからなる狭い隙間への軟化したガラス素材４の侵入を阻止することができる。

このような実施の形態では、外周規制リング３の稜線部６と下型２の成形面２ｃとを圧接等によって線接触させなくても、軟化したガラス素材４がこれらの間の隙間に侵入することがない。このため、成形される光学素子の外周部に鋭角な部位が形成されることなく、成形後に光学素子を取り出しても光学素子が外周規制リングから抜け出なかったり、光学素子の外周部にバリが生じたり、バリによるガラスの破片の焼き付き等を防止することができる。これにより、高精度な光学素子を成形することができる。

なお、この実施の形態では、ガラス素材４として両面研磨光学素子について説明したが、これに限らず、ボール状の光学素子やファインゴブ等を光学素材として用いても良い。また、ボール状の光学素子やファインゴブ等を光学素材として使用する場合、外周規制リング内側面にカーボン粒子を含んだ液体を塗布しても良い。

本発明の一実施の形態における成形前の状態を示す断面図である。 ガラス素材の側面図である。 成形装置の全体断面図である。 押圧成形時の状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 上型
１ｃ 上型の成形面
２ 下型
２ｃ 下型の成形面
３ 外周規制リング
４ 光学素材
６ 稜線部

Claims (6)

1. 加熱軟化されたガラス素材を一対の成形型によって押圧成形することにより所望の光学素子とする光学素子の成形方法において、
   前記ガラス素材の光学機能面以外の部位にカーボン粒子を含む液体を塗布する塗布工程と、
   前記一対の成形型を相対的に近接する方向に移動させることにより前記液体が塗布されたガラス素材を押圧する押圧工程と、
   前記押圧工程の継続により、前記ガラス素材を成形型の移動方向に対して略垂直方向に流動させてガラス素材の外側に配設された外周規制部材に接触させる接触工程と、を有することを特徴とする光学素子の成形方法。
2. 前記ガラス素材への液体の塗布量を変更することにより、前記外周規制部材に接触したガラス素材の流動方向を制御することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形方法。
3. 前記外周規制部材の内周面は、前記所望の光学素子の外周面に対応した形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子の成形方法。
4. 前記外周規制部材が前記一対の成形型の下型の外周に配置され、一対の成形型の上型の外周と外周規制部材との間にガラス素材が流動する空間を設けてい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の成形方法。
5. 前記ガラス素材の成形条件を変更することにより、前記外周規制部材に接触したガラス素材の流動方向を制御す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の成形方法。
6. 前記接触工程におけるガラス素材が接触する外周規制部材の表面粗さＲａが０．６μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子の成形方法。

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