JP2007099529A - 精密プレス成形用プリフォームおよびその製造方法ならびに光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度の光学素子を与えるプリフォームの提供。
【解決手段】 ガラス製の精密プレス成形用プリフォームにおいて、一つの回転対称軸を有する回転体であって、該回転対称軸が表面と交わる２つの交点の内、第１の交点を含み、外側に凸状の第１の面と第２の交点を含み、外側に凸状の第２の面を有し、第１の面の第１の交点を中心に外径の２／３を直径とする円内部分の最小曲率半径をＲ_{１（ｍｉｎ）}とし、第２の面の第２の交点を中心に外径の１／３を直径とする円内部分の最小曲率半径をＲ_{２（ｍｉｎ）}、最大曲率半径をＲ_{２（ｍａｘ）}とし、第２の面の第２の交点を中心に外径の２／３を直径とする円外部分の最大曲率半径をＲ_{３（ｍａｘ）}とし、第１の交点と重心との距離をＨ_１、第２の交点と重心との距離をＨ_２としたとき、 ｜Ｒ_{３（ｍａｘ）}｜＜｜Ｒ_{２（ｍｉｎ）}｜＜｜Ｒ_{２（ｍａｘ）}｜＜｜Ｒ_{１（ｍｉｎ）}｜及び Ｈ_１＜｜Ｒ_{１（ｍｉｎ）}｜の関係を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、非球面レンズなどの光学素子の精密プレス成形に素材として使用するガラス製のプリフォームとその製造方法、および前記プリフォームを精密プレス成形する光学素子の製造方法に関する。

非球面レンズやマイクロレンズなどの、研削、研磨では多くの労力とコストがかかるガラス製光学素子を高い生産性のもとに製造可能な方法として精密プレス成形法が知られている。この方法はモールドオプティクス成形法とも呼ばれ、レンズ面などの光線を屈折したり、回折したり、透過したり、反射したりする光学機能面を呼ばれる表面を研削、研磨することなくプレス成形で形成する方法であり、レンズの２面の中心軸を相互に傾くことなく精密に一致させることもできる方法として注目されている。

精密プレス成形法では、プリフォームと呼ばれるガラス成形体を作製し、加熱して、精密に加工されたプレス成形型を用いてプレスし、光学素子全体の形状を形作るとともに、型成形面をガラスに精密に転写して光学機能面を形成する。精密プレス成形法のメリットを活かすには、プリフォームから光学素子を生産する工程だけでなく、プリフォームを製造する工程においても生産性を高めるとともに、生産コストを低減する必要がある。ガラスブロックを切断して得たガラス片を研削、研磨してプリフォームを生産する方法では、球形状のように比較的加工しやすい形状のプリフォームでも手間とコストがかかり、形状によっては、ガラスブロックを加工してレンズを作製するのと同じくらいの手間とコストがかかってしまう。そのため、プリフォームから光学素子を高い生産性のもとに製造できたとしても、精密プレス成形法のメリットを十分活かすことができない。前述のメリットを活かすには、特許文献１に開示されているように、熔融ガラスを流出してプリフォーム１個分の量に相当する熔融ガラス塊を分離し、この熔融ガラス塊をガラスが冷却する過程でプリフォームに成形する方法（熱間成形法という。）が必要である。
特開平８−２７７１３２号公報

熱間成形法で得られるプリフォームの代表的な形状として球がある。球プリフォームは球の半径をプレス成形型成形面の曲率半径以下にするとともにプレス成形型成形面の中心に配置すれば、プリフォームの向きによらず、プレス成形時に型成形面とガラスの間に雰囲気ガスが閉じ込められるガストラップと呼ばれる現象を回避することができる。

また、曲率半径が大きい凹面からなる成形面を備えた下型を、上型と共に用いて球状プリフォームを精密プレス成形しようとすると、下型成形面の中心にプリフォームを安定した状態で配置することが難しく、プリフォームの中心がプレス成形型の中心軸からずれてしまうのでプレス成形品の偏肉がおき、光学素子としての所望の性能を得ることができなくなってしまう。

プレス成形品の偏肉は、下型成形面の中心にプリフォームを安定した状態で配置できたとしても、上型成形面でプリフォームの加圧を開始したとき、その圧力でプリフォームがプレス成形型の中心軸からずれてしまうことによっても生じてしまう。

近年の撮像装置のコンパクト化、高解像度化に伴い、このような装置に組み込まれる光学素子には高い成形精度が求められ、精密プレス成形品の偏肉防止の要求は厳しいものとなっている。

このように、球プリフォームは非常に有用なものではあるが、上記のような問題を抱えている。

ガストラップを防止しつつ、精密プレス成形品の体積の自由度を拡大し、上記偏肉も防止するには、プリフォームの上型成形面により加圧される面と下型成形面により加圧される面の曲率半径が異なるようにすればよい。しかし、このような形状のプリフォームを研削、研磨により加工するには、球プリフォーム以上に莫大な手間とコストがかかってしまい、精密プレス成形法のメリットを活かすことができない。そこで、熱間成形法により、成形型の形状を調整するなどしてプリフォームを成形すれば、上記形状のプリフォームを生産性よく製造することができる。

熱間成形法でプリフォームを成形する場合、熔融ガラスをパイプから連続して流出し、プリフォーム１個分に相当する熔融ガラス塊を切断刃による切断をせずに、所謂シヤレスカットにより分離し、成形型上で成形する。連続して流出する熔融ガラスから次々とプリフォームを成形するには、複数の成形型を次々とパイプ下方に搬入して熔融ガラス塊を供給し、熔融ガラス塊を載せた成形型をパイプ下方から搬出し、移動する成形型上でプリフォームに成形する。このとき、複数の成形型の移動、停留は同期して行われるが、成形型上のガラス塊には成形型の加速、減速によって慣性力が加わる。また、複数の成形型をターンテーブル上に配し、成形型を移送する場合には、ターンテーブルの回転によって、成形型上のガラス塊には遠心力が加わる。そして、このような慣性力によって、成形型上の熔融ガラス塊が揺り動かされながら成形されるため、プリフォームを回転対称形状に成形することは困難である。特に流出時の粘性が低いガラスでは、成形型上に供給する熔融ガラス塊の粘度も低くなるため、上記慣性力による変形度合いが大きくなる。

熱間成形時の慣性力によりプリフォームが変形してしまうと、上記回転体の対称性が損なわれ、その結果、精密プレス成形時にプレス成形型内にガラスが均等に広がらず、プレス成形品の偏肉がおきてしまう。このようにプレス成形品の偏肉の抑制と、プリフォームの生産性向上の両立は困難であった。

本発明は、上記諸問題を解決し、高品質のガラスからなる精密プレス成形に適した形状を有する精密プレス成形用プリフォームおよびその製造方法、ならびに前記プリフォームを精密プレス成形して偏肉などがない高精度な光学素子を高い生産性のもとに製造することができる光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、下記の（１）〜（１１）からなる。
（１） ガラス製の精密プレス成形用プリフォームにおいて、
一つの回転対称軸を有する回転体であって、
前記回転対称軸が表面と交わる２つの交点のうち、第１の交点を含み、外側に凸状の第１の面と、第２の交点を含み、外側に凸状の第２の面を有し、
第１の面を前記回転対称軸方向から平面視したとき、第１の交点を中心に、外径の２／３を直径とする円内部分の最小曲率半径をＲ_{１（ｍｉｎ）}とし、
第２の面を前記回転対称軸方向から平面視したとき、第２の交点を中心に、外径の１／３を直径とする円内部分の最小曲率半径をＲ_{２（ｍｉｎ）}、最大曲率半径をＲ_{２（ｍａｘ）}とし、
第２の面を前記回転対称軸方向から平面視したとき、第２の交点を中心に、外径の２／３を直径とする円外部分の最大曲率半径をＲ_{３（ｍａｘ）}とし、
第１の交点と重心との距離をＨ_１、第２の交点と重心との距離をＨ_２としたとき、
｜Ｒ_{３（ｍａｘ）}｜＜｜Ｒ_{２（ｍｉｎ）}｜＜｜Ｒ_{２（ｍａｘ）}｜＜｜Ｒ_{１（ｍｉｎ）}｜
および
Ｈ_１＜｜Ｒ_{１（ｍｉｎ）}｜
の関係を有し、
前記回転対称軸を含む断面における輪郭線の形状が任意の位置で外側に凸であり、前記輪郭線に沿って前記輪郭線の傾きが連続的に変化する形状を有する
ことを特徴とする精密プレス成形用プリフォーム。
（２） 第２の交点と重心の距離をＨ_２としたとき、
Ｈ_２＜｜Ｒ_{２（ｍｉｎ）}｜
の関係を有する、上記（１）に記載の精密プレス成形用プリフォーム。
（３） 全表面が熔融ガラスの表面が固化して形成されたものである、上記（１）または（２）に記載の精密プレス成形用プリフォーム。
（４） 外径に対する中心肉厚の比（中心肉厚／外径）が０．４５〜０．８５である、上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の精密プレス成形用プリフォーム。
（５） 熔融ガラスを流出して、熔融ガラス塊を分離し、前記熔融ガラス塊が固化する過程で、成形型の凹部上でプリフォームに成形する精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、
移動する成形型の凹部上で熔融ガラス塊を上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載のプリフォームに成形すること、
前記凹部上でプリフォームの第1の面に成形される熔融ガラス表面が下側を向いた状態で成形すること、
を特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
（６） 前記凹部上で熔融ガラス塊全体を浮上させながらプリフォームに成形する、上記（５）に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
（７） 前記凹部表面が、１つの中心軸の周りの任意角度の回転に対して対称となる形状を有し、
前記中心軸から遠ざかるにつれて、前記凹部表面の曲率半径の絶対値が離散的または連続的に減少する成形型を使用する、上記（５）または（６）に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
（８） 前記成形型を水平方向に移動、停止する操作を繰り返しながらプリフォームを成形する、上記（５）〜（７）のいずれか１項に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
（９） 上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載のプリフォーム、または上記（５）〜（８）のいずれか１項に記載の製造方法で作製したプリフォームを加熱し、プレス成形型を使用して精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
（１０） プリフォームをプレス成形型内に導入し、前記プリフォームとプレス成形型を一緒に加熱し、精密プレス成形する、上記（９）に記載の光学素子の製造方法。
（１１） 予め加熱したプレス成形型に、加熱したプリフォームを導入して精密プレス成形する、上記（９）に記載の光学素子の製造方法。

本発明によれば、精密プレス成形によって高精度の光学素子を安定して製造するための精密プレス成形用プリフォームとその製造方法を提供することができる。

また、前記プリフォームを精密プレス成形することにより、高い生産性のもと高精度な光学素子を製造することができる。

以下、発明を実施するための最良の形態について説明するが、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。
［精密プレス成形用プリフォーム］
本発明の精密プレス成形用プリフォームは、
ガラス製の精密プレス成形用プリフォームにおいて、
一つの回転対称軸を有する回転体であって、
前記回転対称軸が表面と交わる２つの交点のうち、第１の交点を含み、外側に凸状の第１の面と、第２の交点を含み、外側に凸状の第２の面を有し、
第１の面を前記回転対称軸方向から平面視したとき、第１の交点を中心に、外径の１／３を直径とする円内部分の最小曲率半径をＲ_{１（ｍｉｎ）}とし、
第２の面を前記回転対称軸方向から平面視したとき、第２の交点を中心に、外径の１／３を直径とする円内部分の最小曲率半径をＲ_{２（ｍｉｎ）}、最大曲率半径をＲ_{２（ｍａｘ）}とし、
第２の面を前記回転対称軸方向から平面視したとき、第２の交点を中心に、外径の２／３を直径とする円外部分の最大曲率半径をＲ_{３（ｍａｘ）}とし、
第１の交点と重心との距離をＨ_１としたとき、
｜Ｒ_{３（ｍａｘ）}｜＜｜Ｒ_{２（ｍｉｎ）}｜＜｜Ｒ_{２（ｍａｘ）}｜＜｜Ｒ_{１（ｍｉｎ）}｜
および
Ｈ_１＜｜Ｒ_{１（ｍｉｎ）}｜
の関係を有し、
前記回転対称軸を含む断面における輪郭線の形状が任意の位置で外側に凸であり、前記輪郭線に沿って前記輪郭線の傾きが連続的に変化する形状を有する
ことを特徴とするものである。

本発明のプリフォームの外径は、回転対称軸方向からプリフォームを平面視したときのプリフォーム輪郭線の直径に相当する。第１の面において外径の１／３を直径とし、第１の交点を中心にした円内部分を第１の面の中央部と呼び、第２の面において外径の１／３を直径とし、第２の交点を中心にした円内部分を第２の面の中央部、前記円外部分を第２の面の周辺部と呼ぶことにする。

前述のように精密プレス成形品の偏肉は、回転対称軸を持たないプリフォームを使用すること、回転対称軸を有するプリフォームであっても、回転対称軸がプレス成形型の中心軸から外れた状態で、あるいはプレス成形型の中心軸に対して傾いた状態でプレス成形すること、プレス成形型の加工精度や組立精度が低いこと等によって生じる。なお、上記プレス成形型の中心軸の方向は精密プレス成形時の加圧方向と一致する。

上記偏肉の原因を解消するには、高精度なプレス成形型を使用することに加え、
（１）プレス成形型内でガラスが前記型の中心軸の周りに等方に広がりやすく、
（２）プレス成形型の中心軸上に安定した状態で配置しやすく、
（３）プレス成形初期の加圧によってプレス成形型の中心軸からずれにくい、
形状のプリフォームが必要である。

上記（１）の条件を満たすため、本発明ではプリフォームの形状を一つの回転対称軸を有する回転体形状とする。このようにすることにより、プレス成形型内でガラスが前記型の中心軸の周りに等方に広がるようにする。

プレス成形型を構成する下型の成形面が凹状であって、曲率半径の絶対値が小さい場合、前記成形面上でプリフォームが転がりやすくなる。その結果、プリフォームを下型成形面の中央に安定して配置するには、第１の交点と重心との距離Ｈ_１としたとき、第１の面の中央部の最小曲率半径Ｒ_{１（ｍｉｎ）}の絶対値よりもＨ_１が小さくなるように、すなわち、
Ｈ_１＜｜Ｒ_{１（ｍｉｎ）}｜
の関係が満たされるようにすればよい。下型上に第１の面を下にしてプリフォームを置くと、プリフォームが転がるとき、第１の面の中央部の曲率半径の中心を中心として回転しようとするが、重心が第１の交点からＲ_{１（ｍｉｎ）}の高さよりも低い位置にあれば、転がりが抑制され、プリフォームを安定に置くことができる。その結果、プレス成形初期にプリフォームの第１の交点と第２の交点に加圧力が加わってもプリフォームがプレス成形型の中心軸からずれにくくなる。また、凸形状の成形面を有するプレス成形型でプリフォームを押圧するとき、押圧される面が平らに近いほうが、プレス成形型の中心軸からプリフォームが横方向にずれにくくなる。このようにして上記（２）、（３）の条件も満たされる。

なお、下型成形面上に第１の面を下にしてプリフォームを安定して置くことができれば十分であるが、下型成形面上に第２の面を下にしてプリフォームを安定して置けるようにしておくことが好ましい。そのためには、第２の交点と重心との距離をＨ_２としたとき、プリフォームの形状を
Ｈ_２＜｜Ｒ_{２（ｍｉｎ）}｜
の関係が満たされるようにすることが好ましい。

Ｒ_{１（ｍｉｎ）}、Ｒ_{２（ｍｉｎ）}の値はそれぞれ、プレス成形型の上下型成形面の曲率半径を考慮して決めればよい。このとき、上下型成形面とプリフォームの間に雰囲気ガスが閉じ込められてガストラップと呼ばれるガラスの充填不足部分ができないよう留意する。本発明のプリフォームの使用においては一般的に、凹状の下型成形面上にプリフォームを置くときに下側にする面の中央部の最大曲率半径（第１面を下側にする場合はＲ_{１（ｍａｘ）}、第２の面を下側にする場合はＲ_{２（ｍａｘ）}）の絶対値を下型成形面の最小曲率半径の絶対値よりも小さくなるプレス成形型と組合わせて使用する。

成形面が凹状の上型と組合わせて使用する場合、下型成形面上にプリフォームを置くときに上側にする面の中央部の最大曲率半径（第１面を上側にする場合はＲ_{１（ｍａｘ）}、第２の面を上側にする場合はＲ_{２（ｍａｘ）}）の絶対値を成形面の最小曲率半径の絶対値よりも小さくなる上型と組合わせて使用する。

次にプリフォームの製造面からの要請およびこの要請に応えるための手段について説明する。

前述のように精密プレス成形法のメリットを活かすためは、プリフォーム製造工程における生産性も高める必要がある。一つの回転対称軸を有する形状のプリフォームは、ガラスを球状に研削、研磨するのと比較し、より莫大な手間とコストがかかるため、熱間成形法にて量産することが望まれる。

熱間成形法では、パイプから一定の流出速度で熔融ガラスを連続して流出するため、流出する熔融ガラスから熔融ガラス塊を分離し、プリフォーム成形型で受け取ってパイプ下方から次々と運び出して成形する必要がある。このとき、プリフォーム成形型の凹部上の熔融ガラス塊は前述のような慣性力を受けて凹部上で揺れ動き、回転対称性が低下してしまう。本発明では凹部上で慣性力が加わっても回転対称性の低下を招くような揺動を抑えるため、第２の面の中央部の形状と周辺部の形状の間に次のような関係
｜Ｒ_{３（ｍａｘ）}｜＜｜Ｒ_{２（ｍｉｎ）}｜
を持たせるとともに、プリフォーム成形型の凹部形状をこのようなプリフォームが得られる形状とする（凹部形状の詳細については後述する。）。

プリフォーム成形型の凹部上で第２の面が下を向く状態でプリフォームを成形する場合、凹部上のガラスに水平方向の慣性力が働いて熔融ガラス塊が凹部側壁に乗り上げると、得られるプリフォームの回転対称性（中心軸方向から見たときの真円度）が低下してしまう。しかし、プリフォームの形状を
｜Ｒ_{３（ｍａｘ）}｜＜｜Ｒ_{２（ｍｉｎ）}｜
という関係を満たすようにすることにより、上記慣性力が働いても熔融ガラス塊が凹部側壁に乗り上げにくくなる。

凹部上の熔融ガラス塊の冷却は表面からガラス中心部へと進む。この過程でもガラスには水平方向の慣性力が働くが、そうすると第２の面の周辺部になる部分が凹部側壁に圧しつけられ、曲率半径Ｒ_{３（ｍａｘ）}、Ｒ_{３（ｍｉｎ）}の中心を回転中心として、第２の交点となる部分を持ち上げる力が働き、プリフォームの回転対称性を低下させる要因となる。特にガラスの固化が進んだ状態で回転対称性を損なう変形が生じると、ガラスの形状が復元しにくくなるので、慣性力による上記挙動を抑える必要がある。このとき、Ｒ_{３（ｍａｘ）}とＲ_{２（ｍｉｎ）}との間に上記関係が満たされていると、曲率半径Ｒ_{３（ｍａｘ）}、Ｒ_{３（ｍｉｎ）}の中心を回転中心とする回転がガラスの自重により抑えられるため上記挙動が抑制され、結果としてプリフォームの回転対称性低下を防止することができる。

さらに、上記挙動の抑制には、
｜Ｒ_{２（ｍａｘ）}｜＜｜Ｒ_{１（ｍｉｎ）}｜
という関係が満たされるようにする必要がある。もし、
｜Ｒ_{２（ｍａｘ）}｜≧｜Ｒ_{１（ｍｉｎ）}｜
の関係になったプリフォームを成形すると、第２の面を下にしたプリフォームは成形型上において不安定になり、成形型の移動時にプリフォームの回転対称性を低下させる挙動をすることになる。したがって、プリフォームの回転対称性を低下させないために、プリフォームに、
｜Ｒ_{２（ｍａｘ）}｜＜｜Ｒ_{１（ｍｉｎ）}｜
という構成を付与する。

このような成形によって、プリフォームの第1の面は自由表面となり、ガラスの表面張力により第1の面の中央部を外側に凸状にすることができる。

成形型からプリフォームを取り出す場合、成形型上におけるプリフォーム上面を吸引して持ち上げる方法がとられる。このとき、プリフォームの形状が本発明のようになっていれば、吸引によってプリフォームを正確に真上に持ち上げることができ、プリフォームを成形型に擦らずに取り出すことができ、結果として、プリフォーム表面の加傷を防止することができる。プリフォームの形状が本発明の条件を満たさないと、プリフォームが傾いた状態（プリフォーム中心軸が鉛直に対して傾斜した状態）で吸引ノズルに吸い寄せられ、ノズル吸引口がプリフォーム表面に密着しないので、プリフォームを成形型から取り出す際に取り出しミスをおこしやすくなる。また、プリフォームを傾いた状態で持ち上げようとするとプリフォームを成形型に擦ってしまうので好ましくない。

このような問題は、プリフォームを吸引してトレイに並べたり、トレイから表面にコートするための成膜装置に移送したり、コート後にトレイに並べたり、トレイからをプレス成形装置に移送したりする際にも起こり得る。このような状況においても、本発明のプリフォームによれば、吸引ノズルによって確実に吸引され、保持部材に擦らずにプリフォームを真上に持ち上げることができる。

本発明において、前記回転対称軸を含む断面における輪郭線の形状が任意の位置で外側に凸であり、前記輪郭線に沿って前記輪郭線の傾きが連続的に変化する形状を有することにより、プレス成形型内にガラスを均等に広げることができる。

また、本発明のプリフォームの好ましい態様は、全表面が熔融ガラスの表面が固化して形成されたプリフォームである。プリフォームは研磨加工などの機械加工によっても作ることができるが、本発明のプリフォームを機械加工で作ると最終製品である光学素子を機械加工で作るのと同程度の手間とコストがかかり、精密プレス成形法の特長が損なわれてしまう。また、機械加工で作ったプリフォームの表面には研磨傷や、研磨時に生じた潜傷が存在し、この傷が精密プレス成形時のプリフォームの加熱時などの熱衝撃によりガラスが破損する原因になるおそれがある。これに対し、上記態様によれば、全表面が熔融ガラスの表面が固化して形成されたものなので、研磨傷フリー、潜傷フリーの表面が得られ、耐熱衝撃性の優れたプリフォームを実現することができる。

本発明のプリフォームの好ましい態様は、外径に対する中心肉厚の比（中心肉厚／外径）が０．４５〜０．８５、より好ましくは０．５５〜０．８０であるプリフォームである。精密プレス成形では成形品の体積と等しい体積のプリフォームを使用するケースが多いが、所定の体積に対し、外径が大きくなるとプレス成形型を構成する胴型、あるいは上下型を案内するスリーブと呼ばれる部材の中にプリフォームを配置することができなくなってしまう。そのため、上記態様では前記比率を０．４５以上にして、外径の上限が決められた状況で中心肉厚を厚くすることにより、プリフォームの体積を所要の値にすることができる。しかし、前記比率が０．８５よりも大きくなると、プリフォーム成形時に成形型上でガラスの座りが不安定になり、回転対称性が低下してしまうので、比（中心肉厚／外径）を上記範囲とする。

プリフォームを形成するガラスには特に制限はないが、精密プレス成形時にプレス成形型の成形面にダメージを与えやすい砒素、精密プレス成形時に還元されてガラス表面に析出してプレス成形型成形面に付着し、成形面のガラスへの精密な転写の妨げになるＰｂＯを含まないガラスが望ましく、光学素子への用途を考えると、光学ガラスであることが望ましい。このような光学ガラスとしては、Ｂ_２Ｏ_３およびＬａ_２Ｏ_３を含有するガラス、Ｐ_２Ｏ_５およびＮｂ_２Ｏ_５を含有するガラス、ＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３を含有するガラス、Ｐ_２Ｏ_５およびＬｉ_２Ｏを含有するガラス、フツリン酸ガラスなどを例示することができる。

［精密プレス成形用プリフォームの製造方法］
次に精密プレス成形用プリフォームの製造方法について説明する。
本発明の精密プレス成形用プリフォームの製造方法は、
熔融ガラスを流出して、熔融ガラス塊を分離し、前記熔融ガラス塊が固化する過程で、成形型の凹部上でプリフォームに成形する精密プレス成形用プリフォームの製造方法であって、
移動する成形型の凹部上で熔融ガラス塊を上記本発明のプリフォームに成形すること、
前記凹部上でプリフォームの第1の面に成形される熔融ガラス表面が下側を向いた状態で成形すること、
を特徴とするものである。

凹部上でプリフォームの第1の面に成形される熔融ガラス表面が下側を向いた状態で成形することにより、移動する凹部上でガラスの挙動を安定に維持し、回転対称性の高いプリフォームを成形することができ、その結果、偏肉の少ない精密プレス成形品を得ることを可能にする。

上記プリフォームの製造方法において、凹部上で熔融ガラス塊全体を浮上させながらプリフォームに成形することが好ましい。熔融ガラス塊全体を浮上させることにより、浮上させない場合に比べて、ガラスと凹部の接触時間を短くすることができる。凹部の温度は熔融ガラスが接触しても熱融着しないよう、比較的低温に保たれている。このような凹部に熔融ガラス塊が接触すると、プリフォーム表面にシワができてしまう。また、熔融ガラス塊を凹部に接触させながら熔融ガラス塊を冷却すると、カン割れと呼ばれるガラスの破損が発生してしまう。上記態様によればこれらの問題を解消することができる。

本発明において、前記凹部表面が、１つの中心軸の周りの任意角度の回転に対して対称となる形状を有し、前記中心軸から遠ざかるにつれて、前記凹部表面の曲率半径の絶対値が離散的または連続的に減少する成形型を使用することが望ましい。ここで、曲率半径の絶対値が離散的に減少する例としては、中心軸を含む曲率半径ｒ１の領域の外側に曲率半径ｒ２の領域があって、｜ｒ１｜＞｜ｒ２｜の関係が成り立つ場合や、曲率半径ｒ２の領域のさらに外側に曲率半径ｒ３の領域があって、｜ｒ２｜＞｜ｒ３｜の関係が成り立つ場合などを示すことができる。なお、中心軸から遠ざかるにつれて、凹部表面の曲率半径の絶対値が離散的に減少する部分と連続的に減少する部分があってもよい。

このような成形型を使用することにより、本発明のプリフォームを成形しやすくするし、凹部上のガラスに加速度が加わってもプリフォームの回転対称性を低下させるような挙動を抑制することができる。

上記各方法において、前記成形型を水平方向に移動、停止する操作を繰り返しながらプリフォームを成形することが望ましい。この方法は、ガラスを成形型とともに水平方向に移動しながら成形するので、量産性に優れた方法である。成形型のこのような動きはプリフォームの回転対称性を低下させやすいが、本発明によれば、前記回転対称性を低下させるような挙動を抑制することができるので、回転対称性の低下を危惧せずに、量産性を向上することができる。

なお、成形型凹部への熔融ガラス塊の供給、熔融ガラス塊の浮上、成形型の構造、材質などについては公知の方法、構造、材質を利用すればよい。

凹部上のプリフォームは、外力が加わっても変形しない温度域まで冷却されてから凹部から取り出され、徐冷される。プリフォームの取り出し方法、徐冷方法とも公知の方法を使用すればよい。

成形したプリフォームは必要に応じて洗浄し、また必要に応じて全表面にカーボン膜や自己組織化膜を形成してよい。このような膜はプレス成形時のガラスの伸びを助長させるとともにプレスし成形品の離型性を高める働きをする。

［光学素子の製造方法］
次に本発明の光学素子の製造方法について説明する。
本発明の光学素子の製造方法は、上記本発明のプリフォーム、または上記本発明の製造方法により作製したプリフォームを加熱し、プレス成形型を使用して精密プレス成形する方法である。

本発明によれば上記プリフォームを使用しているので、偏肉の少ない光学素子をガストラップなどのトラブルを起こさずに製造することができる。

なお、プリフォームの加熱、プレス成形型の構造、材質、必要に応じてプレス成形面に設ける離型膜、精密プレス成形の方法、精密プレス成形の雰囲気ガスは公知のものを使用し、精密プレス成形条件も対象となる光学素子の仕様に応じて適宜、設定すればよい。

本発明には以下２つの態様が含まれる。
第1の態様は、プリフォームをプレス成形型内に導入し、前記プリフォームとプレス成形型を一緒に加熱し、精密プレス成形する方法である。この方法は予めプレス成形型内にプリフォームを導入した状態で型構成部材を組み立てて、プリフォームとプレス成形型を一緒に加熱するので、形状精度の高い光学素子を製造しやすい。

第2の態様は、予め加熱したプレス成形型に、加熱したプリフォームを導入して精密プレス成形する方法である。この方法は、プレス成形型の加熱温度をプリフォームの加熱温度よりも低くすることができるので、型の長寿命化という観点から好ましいし、第1の態様に比べ、少ない数のプレス成形型で光学素子を量産することもできる。
いずれの特長を優先するかを考慮して採用する態様を決めればよい。

プレス成形型の形状、寸法を適正化することにより、両凸レンズ、両凹レンズ、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズなどのレンズ、球面レンズ、非球面レンズ、マイクロレンズなど各種レンズなどを製造することができる。

ガラス原料を調合し、熔融容器に導入して加熱、熔融し、清澄、撹拌して均質で泡を含まない熔融ガラスＡおよびＢを作製し、熔融ガラスＡとガラスＢのそれぞれを一定の流量で連続してパイプから流出し、熔融ガラス流の下端を図１に一部垂直断面を示す凹部を備えた金型タイプＮｏ．ａ〜ｈで支持し、次いで型を急降下して所定質量の熔融ガラス塊を凹部上で受けた。凹部は多孔質材で作製されており、多孔質からガスを噴出させている。凹部上のガラス塊には前記ガスにより上向きの風圧が加わるので、ガラス塊は凹部内で浮上した状態で冷却され、図２〜図４に示す垂直断面形状を有するプリフォームＮｏ．１〜Ｎｏ．１２に成形された。図２〜図４に示すプリフォーム断面は、プリフォームの回転中心軸を含む断面である。

ここで、図１および図２〜図４について説明する。図１は前述のように金型の凹部の垂直断面であり、前記断面は凹部を平面視したときの中心を含む。図１中のφで示した値はガラスを直接または間接的に支持する面の直径である。タイプａ、ｃ、ｈは直径φの範囲全域が一定の曲率半径Ｒになっている。タイプｂ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇは直径φの範囲内において、直径φ´の範囲における曲率半径Ｒ´と直径φの範囲の外側の曲率半径Ｒが異なるように凹部が形成されている。直径φ´の円周上で異なる曲率半径を有する面が滑らかにつながるように凹部が形成されている。タイプｂ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇにおける曲率半径Ｒ´の中心は凹部の回転対称軸上から外れた点に位置している。図１中のφ、φ´、Ｒ、Ｒ´の値はｍｍ単位で表示してある。

図２〜図４は凹部上に載置した状態でのプリフォームの断面を示すものである。小型のプリフォームの場合、第1の交点が下側、すなわち凹部に面する側になるようにすることが好ましいので、Ｎｏ．１〜３、Ｎｏ．７、８のプリフォームの断面については第1の交点が下側になるように描かれている。その他のプリフォームについては第1の交点が上側を向くように描かれている。図２〜図４中の各プリフォームの右横に描かれている点は各プリフォームの重心の高さを示している。図２〜図４中の各数値もｍｍ単位で表示してある。

表１および表２は熔融ガラスＡおよび熔融ガラスＢをそれぞれ用いて得られたプリフォームＮｏ．１〜Ｎｏ．６およびプリフォームＮｏ．７〜Ｎｏ．１２についてのＲ_{１（ｍｉｎ）}、Ｒ_{２（ｍａｘ）}、Ｒ_{２（ｍｉｎ）}、Ｒ_{３（ｍａｘ）}、Ｈ_１、Ｈ_２、外径、中心肉厚、中心肉厚／外径、質量を示す。

このような工程を複数の同一の型を用いて順次、繰り返しながら、連続して流出するガラスからプリフォームを次々と成形した。複数の同一の型を回転テーブル上にテーブルの回転軸の回りに等間隔で配置し、前記テーブルをインデックス回転することにより、空の型がパイプの真下に移送、停留され、上記のようにガラス塊を受け取る。ガラス塊のプリフォームへの成形は、上記のように移動、停止を繰り返す型上で行われる。

プリフォームの温度が外力を加えても変形しない範囲まで低下したときに、プリフォームの真上から吸引ノズルを近づけ、プリフォーム上面の中心部をノズルで吸い付けて真上に持ち上げ、型から取り出す。

本実施例によれば、移動、停止を繰り返す型上でプリフォームを成形したにもかかわらず、回転対称性の優れたプリフォームを得ることができた。また、吸引ノズルを使用したプリフォームの型からの取り出しでも、吸引ミスなく、次々と運ばれてくる型からプリフォームを取り出すことができた。型の凹部形状が一定であれば、得られたプリフォームの形状も一定であり、取り出し時に型との摩擦で生じることがあるプリフォーム表面の傷も認められなかった。

このようにして表１および表２にそれぞれ示すように、溶融ガラスＡから、精密プレス成形に適した屈折率（ｎｄ）１．６９３５０、アッベ数（νｄ）５３．２、ガラス転移温度（Ｔｇ）５２０℃の光学ガラスからなるプリフォームＮｏ．１〜６を、そして熔融ガラスＢから、精密プレス成形に適した屈折率（ｎｄ）１．５８３１３、アッベ数（νｄ）５９．４６、ガラス転移温度（Ｔｇ）５００℃の光学ガラスからなるプリフォームＮｏ．７〜１２を連続して作製した。

本実施例では熔融ガラスＡおよびＢをそれぞれ用いて光学ガラスからなるプリフォームを作製したが、その他の光学ガラス、例えば屈折率（ｎｄ）１．５８９１３、アッベ数（νｄ）６１．３、ガラス転移温度（Ｔｇ）５１５℃の光学ガラス、あるいは屈折率（ｎｄ）１．８６０６１０、アッベ数（νｄ）４０．７、ガラス転移温度（Ｔｇ）５６０℃の光学ガラスなどを使用してもよい。

次に上記プリフォームを精密プレス成形型を使用して精密プレス成形し、非球面レンズを作製した。得られたレンズは良好な面精度を有し、回転対称性の高い高性能の非球面レンズであった。したがって、精密プレス成形時にガラスと型表面の間にガストラップや偏肉などのトラブルは発生していないことが確かめられた。

このようにして各種非球面レンズ、例えば、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズなどの高性能なレンズを安定して作製することができた。

本発明によれば、精密プレス成形によって高精度の光学素子を安定して製造することができる精密プレス成形用プリフォームを得ることができ、該プリフォームを用いて高精度の光学素子を高い生産性のもとで得ることができる。

本発明の精密プレス成形用プリフォームを製造するために用いられる金型の一部垂直断面図である。 実施例で得られた精密プレスプリフォームＮｏ．１〜４の垂直断面図である。 実施例で得られた精密プレスプリフォームＮｏ．５〜８の垂直断面図である。 実施例で得られた精密プレスプリフォームＮｏ．９〜１２の垂直断面図である。

Claims (11)

1. ガラス製の精密プレス成形用プリフォームにおいて、
   一つの回転対称軸を有する回転体であって、
   前記回転対称軸が表面と交わる２つの交点のうち、第１の交点を含み、外側に凸状の第１の面と、第２の交点を含み、外側に凸状の第２の面を有し、
   第１の面を前記回転対称軸方向から平面視したとき、第１の交点を中心に、外径の２／３を直径とする円内部分の最小曲率半径をＲ_{１（ｍｉｎ）}とし、
   第２の面を前記回転対称軸方向から平面視したとき、第２の交点を中心に、外径の１／３を直径とする円内部分の最小曲率半径をＲ_{２（ｍｉｎ）}、最大曲率半径をＲ_{２（ｍａｘ）}とし、
   第２の面を前記回転対称軸方向から平面視したとき、第２の交点を中心に、外径の２／３を直径とする円外部分の最大曲率半径をＲ_{３（ｍａｘ）}とし、
   第１の交点と重心との距離をＨ_１、第２の交点と重心との距離をＨ_２としたとき、
   ｜Ｒ_{３（ｍａｘ）}｜＜｜Ｒ_{２（ｍｉｎ）}｜＜｜Ｒ_{２（ｍａｘ）}｜＜｜Ｒ_{１（ｍｉｎ）}｜
   および
   Ｈ_１＜｜Ｒ_{１（ｍｉｎ）}｜
   の関係を有し、
   前記回転対称軸を含む断面における輪郭線の形状が任意の位置で外側に凸であり、前記輪郭線に沿って前記輪郭線の傾きが連続的に変化する形状を有する
   ことを特徴とする精密プレス成形用プリフォーム。
2. 第２の交点と重心の距離をＨ_２としたとき、
   Ｈ_２＜｜Ｒ_{２（ｍｉｎ）}｜
   の関係を有する、請求項１に記載の精密プレス成形用プリフォーム。
3. 全表面が熔融ガラスの表面が固化して形成されたものである、請求項１または２に記載の精密プレス成形用プリフォーム。
4. 外径に対する中心肉厚の比（中心肉厚／外径）が０．４５〜０．８５である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の精密プレス成形用プリフォーム。
5. 熔融ガラスを流出して、熔融ガラス塊を分離し、前記熔融ガラス塊が固化する過程で、成形型の凹部上でプリフォームに成形する精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、
   移動する成形型の凹部上で熔融ガラス塊を請求項１〜４のいずれか１項に記載のプリフォームに成形すること、
   前記凹部上でプリフォームの第1の面に成形される熔融ガラス表面が下側を向いた状態で成形すること、
   を特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
6. 前記凹部上で熔融ガラス塊全体を浮上させながらプリフォームに成形する、請求項５に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
7. 前記凹部表面が、１つの中心軸の周りの任意角度の回転に対して対称となる形状を有し、
   前記中心軸から遠ざかるにつれて、前記凹部表面の曲率半径の絶対値が離散的または連続的に減少する成形型を使用する、請求項５または６に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
8. 前記成形型を水平方向に移動、停止する操作を繰り返しながらプリフォームを成形する、請求項５〜７のいずれか１項に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
9. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のプリフォーム、または請求項５〜８のいずれか１項に記載の製造方法で作製したプリフォームを加熱し、プレス成形型を使用して精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
10. プリフォームをプレス成形型内に導入し、前記プリフォームとプレス成形型を一緒に加熱し、精密プレス成形する、請求項９に記載の光学素子の製造方法。
11. 予め加熱したプレス成形型に、加熱したプリフォームを導入して精密プレス成形する、請求項９に記載の光学素子の製造方法。

Images