JP2007246339A - 光学素子の製造方法及びそれに用いる製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素子表面の曇り及び揮発物の付着が抑制された光学素子を容易に製造することができる方法を提供する。
【解決手段】配置工程、加熱工程、及び成形工程のうち少なくとも加熱工程を、チャンバ１０内の雰囲気の酸素濃度を大気の酸素濃度よりも低く保ち、且つキャビティＣ内の雰囲気の酸素濃度をチャンバ１０内の雰囲気の酸素濃度よりも低く保つと共にキャビティＣをチャンバ１０に対して陽圧とした状態で行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子の製造方法及びそれに用いる製造装置に関する。

近年、ガラス製光学素子は、その製造容易性及び製造コストの観点から、精密プレス成形法により作成されるのが一般的となっている。しかしながら、精密プレス成形法では、被成形体たるガラス材をガラス転移温度以上といった高温にまで加熱する必要がある。このため、成形工程においてガラス材からガスが発生する。このガスが成形型の成形面に付着し、得られたガラス素子表面が曇るといった問題や、素子表面に揮発物が付着してしまうという問題が生じる。

このような問題に鑑み、例えば、特許文献１、２等では、成形型組内に形成されたキャビティ内の雰囲気を制御することにより発ガスに起因する上記問題を解決しようとしている。具体的には、特許文献１では、昇温加熱中のキャビティ内の酸素濃度を比較的高くする技術が開示されている。また、特許文献２では、キャビティ内の雰囲気を強制的に循環する技術が開示されている。
特開昭６２−２９２６３０号公報 特開昭６２−２９７２２４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、単位時間当たりのガス発生量を抑制できたとしても、揮発成分はキャビティ内に経時的に蓄積されていく。このため、素子表面の曇りや揮発物の付着が十分に抑制された光学素子を得ることは困難である。

また、特許文献２に記載された技術では、チャンバ内の雰囲気がキャビティ内に吸入されるため、チャンバ内の雰囲気が十分にクリーンでなければキャビティ内の雰囲気を十分にクリーンに保てない。言い換えれば、大きなチャンバ内の雰囲気を、例えば、高純度の不活性ガスの導入等によってクリーンに保たなければならず、光学素子の製造が困難になると共に、製造コストが上昇してしまう。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、素子表面の曇り及び揮発物の付着が抑制された光学素子を容易に製造することができる方法を提供することにある。

上記目的を解決するために、本発明に係る光学素子の製造方法は、キャビティ内にガラス材を配置する配置工程と、配置されたガラス材を加熱する加熱工程と、加熱されたガラス材を上型と下型とでもってプレスして光学素子を成形する成形工程とを備え、上記３つの工程のうち少なくとも加熱工程を、チャンバ内の雰囲気の酸素濃度を大気の酸素濃度よりも低く保ち、且つキャビティ内の雰囲気の酸素濃度をチャンバ内の雰囲気の酸素濃度よりも低く保つと共にキャビティをチャンバに対して陽圧とした状態で行うことを特徴とする。

また、本発明に係る光学素子の製造装置は、上型と、上型に対向配置された下型と、上型と下型とが摺動可能に挿入され、上型と下型と共に光学素子を成形するためのキャビティを区画形成する筒状の胴型とを備えた成形型組と、成形型組が設置されるチャンバと、チャンバに大気よりも低い酸素濃度のチャンバ用雰囲気ガスを供給するための第１のガス供給手段と、キャビティにチャンバ用雰囲気ガスよりも低い酸素濃度のキャビティ用雰囲気ガスを供給してキャビティをチャンバに対して陽圧とするための第２のガス供給手段とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、素子表面の曇りや揮発物付着が抑制された光学素子を安価に製造することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本実施形態に係る製造装置１の構成を表す部分断面図である。

図２は図１中切り出し線ＩＩ−ＩＩで切り出された部分の断面図である。

図１に示すように、製造装置１は、チャンバ１０と、プレス軸１６と、基台１３と、下加熱板１４と、成形型組２と、上加熱板１７と、フランジ１８と、プレス軸１９とを備えている。

チャンバ１０は、成形型組２が設置される空間を区画形成するためのものである。チャンバ１０には、ガス入出口１１及び１２が設けられており、これらガス入出口１１、１２によってチャンバ１０内の雰囲気が制御可能となっている。具体的に、ガス入出口１１、１２の一方には図示しない第１のガス供給手段（ガスボンベ等）が連結されており、その第１のガス供給手段から大気よりも酸素濃度が低い（好ましくは、酸素濃度が５０ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下の）雰囲気ガスが供給されるようになっている。ここで、雰囲気ガスは、窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスであってもよい。尚、チャンバ１０の内圧は、特に限定されないが、チャンバ１０内への大気の流入を抑制する観点からは大気圧よりも高いことが好ましい。そうすることによって、チャンバ内１０の酸素濃度を大気よりも低く保てると共に、大気と共に塵や埃等が流入することを効果的に抑制することができる。このようにチャンバ１０内の酸素濃度を大気よりも低く保つことによって、成形型組２の外側表面の酸化を抑制することができ、成形型組２の寿命を長くすることができる。

チャンバ１０内には、基台１３が設置されている。基台１３の上には下加熱板１４が設けられている。下加熱板１４には、１又は複数のヒータ１５が埋設されており、下加熱板１４は、そのヒータ１５によって温度調節可能に構成されている。

下加熱板１４の上には、成形型組２が設置されている。成形型組２の上には上加熱板１７が配置されている。この上加熱板１７にも、上記下加熱板１４と同様に、１又は複数のヒータ１５が埋設されており、上加熱板１７はこのヒータ１５によって温度調節可能に構成されている。そして、この上加熱板１７と下加熱板１４とでもって、それら加熱板１４、１７の間に配設された成形型組２の温度を調節することができる。

さらに上加熱板１７の上には、プレス軸１９に連結されたフランジ１８が配置されている。プレス軸１９はプレス器（図示せず）に接続されており、そのプレス器を駆動することによって、フランジ１８を介して成形型組２（詳細には、上型２２）に圧力を印加できる構成となっている。

成形型組２は、下型２１と、上型２２と、胴型２３とで構成されている。下型２１は円柱状に形成されており、頂面に凸状の成形面２１ａが形成されている。尚、下型２１の下端面は、チャンバ１０、基台１３及び下加熱板１４を貫通して配置されたプレス軸１６に当接している。プレス軸１６は図示しないプレス器に接続されており、そのプレス器を駆動させることによって、プレス軸１６を介して下型２１下端面が押圧されて下型２１が上型２２方向に相対的に変位するように構成されている。

上型２２は、下型２１に対向配置されており、成形面２１ａと対向する凸状の成形面２２ｃが形成されており、且つ下型２１の外形と略同一の外形を有する円柱部２２ｂと、円柱部２２ｂの基端部に取り付けられたフランジ部２２ａとを備えている。尚、下型２１及び上型２２は、例えば、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金やステンレス等によって形成することができる。また、成形面２１ａ、２２ｃは例えばガラス材３０の融着を抑制する離型膜（例えば、白金等の貴金属膜）により被覆されていてもよい。

円筒上に形成された胴型２３は下型２１と上型２２との間に配置されており、下型２１及び上型２２の円柱部２２ｂが摺動可能に挿入可能なようにその内径が下型２１及び円柱部２２ｂの外形と略同一に形成されている。そして、下型２１の成形面２１ａと、上型２２の成形面２２ｃと、胴型２３の内周面２３ｂとでもってキャビティＣが区画形成されている。このキャビティＣは、後に詳述するように、被成形体たるガラス材（例えば、硼酸バリウム系ガラスからなるもの）３０が配置される空間であり、半密閉状態となっている。

成形型組２には、ガス供給路２４が形成されている。ガス供給路２４は、配管を介して第２のガス供給手段（図示せず）に連結されている。その図示しない第２のガス供給手段からガス供給路２４を経由してキャビティＣに第１のガス供給手段がチャンバ１０に供給する雰囲気ガスよりも低い酸素濃度の（好ましくは、酸素濃度が５０ｐｐｍ以下の）雰囲気ガスが供給される仕組みとなっている。そして、その雰囲気ガスの供給によってキャビティＣ内の圧力がチャンバ１０内の圧力よりも高くなるようになっている。このため、ガス供給路２４からキャビティＣに供給された雰囲気ガスは、下型２１及び上型２２と胴型２３との間隙からキャビティＣ外に排出され、チャンバ１０からキャビティＣ内への雰囲気ガスの流入が抑制される。

このため、後に光学素子の製造方法と共に詳述するように、キャビティＣ内でガラス材３０から発生した揮発成分はキャビティＣ外に排出される雰囲気ガスと共に順次排出されていくこととなる。従って、キャビティＣ内の揮発成分濃度が経時的に上昇することを抑制することができる。その結果、素子表面の曇りや揮発物付着が抑制された光学素子の形成が可能となる。

また、チャンバ１０からキャビティＣ内への雰囲気ガスの流入が抑制されるため、チャンバ１０内の雰囲気はそれほどクリーンなものでなくてもよい。言い換えれば、チャンバ１０内の雰囲気をそれほどクリーンに保たなくてもよい。従って、この構成によれば、比較的小さいキャビティＣにのみ比較的クリーンな雰囲気ガスを供給すれば足り、比較的大きなチャンバ１０にはキャビティＣに供給するようなクリーンな雰囲気ガスを供給する必要は必ずしもない。その結果、雰囲気ガスのランニングコストを低下させることができる。それに対して、例えば、上記特許文献２のようにキャビティＣ内の雰囲気を強制的に循環させるようにした場合は、チャンバ１０内に塵や埃、悪影響を及ぼす雰囲気ガスが存在すると、それら塵等が雰囲気ガスと共にキャビティＣ内に吸入されることとなり、異物付着等の問題が発生する虞がある。このため、キャビティＣ内のみならずチャンバ１０内も非常にクリーンに保持しておく必要があり、ランニングコストの上昇等といった問題が生じてしまうこととなる。

さらに、この構成によれば、キャビティＣに供給される雰囲気ガスは特に酸素濃度が低いものであるため、チャンバ１０内の酸素濃度を比較的低く保つことができるため、成形型組２のキャビティＣに面する表面の酸化が抑制される。従って、成形型組２の寿命を長くすることができ、その結果、光学素子の製造コストを低下させることができる。尚、成形型組２の表面酸化を防止する観点からは、キャビティＣに供給される雰囲気ガスは、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス及び水素ガスからなる群より選ばれた１種又は２種以上のガスにより構成されていることが好ましい（具体的な雰囲気ガスの組成は成形するガラス材３０によって適宜設定することができる）。さらに、成形型組２の外側（チャンバ１０側）表面の酸化を抑制する観点から、予め酸化処理を施しておくなどの方法により、成形型組２の外側表面に酸化防止膜を形成しておくことが好ましい。

次に、本実施形態におけるガス供給路２４の具体的態様について説明する。

ガス供給路２４は、胴型２３に形成された貫通孔２３ａと、上型２２のフランジ部２２ａに形成された貫通孔２２ｄとにより構成されており、上加熱板１７に形成された貫通孔１７ａと、フランジ１８に形成された貫通孔１８ａと、その貫通孔１８ａに連結された配管とを介して第２のガス供給手段（図示せず）に連結されている。

胴型２３に形成された貫通孔２３ａは、その一端が胴型２３内周面２３ｂの下型２１外周面２１ｂと対面する部分（より好ましくは当該部分のうち成形面２１ａ近傍）に開口する一方、他端が胴型２３の頂面２３ｃに開口するように形成されている。そして、フランジ部２２ａには、貫通孔２３ａの頂面２３ｃ側開口位置に対応する位置に、フランジ部２２ａの厚さ方向に貫通して形成された貫通孔２２ｄが設けられている。すなわち、ガス供給路２４は、その他端は成形型組２の上面２ａに開口するように形成されている。第２のガス供給手段（図示せず）からガス供給路２４に供給された雰囲気ガスは、下型２１外周面２１ｂと胴型２３内周面２３ｂとの間隙を経てキャビティＣ内に供給される。

このようにガス供給路２４のキャビティＣ側開口が直接キャビティＣに連結されていない構成とすることによって、キャビティＣ内で形成されるガラスがガス供給路２４に入り込み、ガス供給路２４が詰まってしまうことを抑制することができる。

尚、ガス供給路２４と第２のガス供給手段との間には、雰囲気ガスの流量を調節する、あるいは雰囲気ガスの流入を停止させるバルブ２０を設けておくことが好ましい。

また、ガス供給路２４は１つ以上形成されていればよく、例えば、図２に示すように、胴型２３の周回方向に沿って等間隔に複数（例えば、４つ）形成されていてもよい。

次に、この製造装置１を用いた光学素子３１の製造要領について図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、キャビティＣ内に被成形体たるガラス材３０を配置した成形型組２を図１に示すようにチャンバ１０内に設置する。その後、下加熱板１４及び上加熱板１７に埋設されたヒータ１５を駆動させることによって、成形型組２と共にガラス材３０を所定の温度（例えば、ガラス材３０の軟化点近傍）まで加熱する。

この加熱工程は、第１のガス供給手段から大気よりも酸素濃度の低い雰囲気ガス（例えば、酸素濃度が５０ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下の酸素ガスと窒素ガスとの混合ガス）を供給してチャンバ１０内の雰囲気の酸素濃度を大気の酸素濃度よりも低く（例えば、５０ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下の酸素濃度に）保ちつつ、さらに第２のガス供給手段でもってキャビティＣ内に実質的に酸素を含まない（好ましくは、酸素濃度が５０ｐｐｍ以下の）クリーンな雰囲気ガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス、水素ガス等の還元性のガス、不活性ガス及び／又は還元性ガスを含む混合ガス）を供給してキャビティＣ内を陽圧としながら行うことが好ましい。言い換えれば、キャビティＣ内の雰囲気が、実質的に、酸素ガスを含まず（好ましくは、酸素濃度が５０ｐｐｍ以下であり）、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス、及び水素ガスからなる群より選ばれた１種又は２種以上のガスで満たされており、且つ、キャビティＣがチャンバ１０に対して陽圧とすることが好ましい。

そうすることによって、下型２１及び／又は上型２２と胴型２３との間隙を経てキャビティＣ外へ排出される雰囲気ガスと共に、加熱工程においてガラス材３０から発生した揮発成分を効果的にキャビティＣ外へ排出することができる。従って、揮発成分が成形面２１ａ、２２ｃや胴型２３内周面２３ｂ等に付着することを抑制することができる。その結果、成形される光学素子の表面の曇り、揮発物が付着することが効果的に抑制される。

また、チャンバ１０からキャビティＣ内への雰囲気ガスの流入が抑制されるため、チャンバ１０内の雰囲気（言い換えれば、チャンバ１０に供給される雰囲気ガス）はそれほどクリーンなものでなくてもよい。従って、雰囲気ガスのランニングコストを低下させることができる。

さらに、キャビティＣに供給される雰囲気ガスは特に酸素濃度が低いものであるため、チャンバ１０内の酸素濃度を比較的低く保つことができる。このため、成形型組２のキャビティＣに面する表面の酸化が抑制される。従って、成形型組２の寿命を長くすることができ、その結果、光学素子の製造コストを低下させることができる。

図３は押圧工程を説明するための部分断面図である。

図３に示すように、加熱工程を行った後、プレス軸１９が連結されたプレス器（図示せず）で上型２２を下型２１方向（図１において下方向）に押圧しながら、プレス軸１９が連結されたプレス器を駆動させて、プレス軸１６でもって下型２１を上型２２の方（図１において上方向）へ変位させる。これにより、加熱されて軟化されたガラス材３０が上型２２、下型２１、及び胴型２３とによって変形されて、光学素子３１が形成される。

この形成工程は、バルブ２０を締めて第２のガス供給手段からの雰囲気ガスの供給を停止した状態、若しくは雰囲気ガスの流量を絞った状態で行うことが好ましい。そうすることによって、キャビティＣ内の雰囲気の温度ムラを小さくすることができる。従って、温度ムラに起因する光学素子３１の偏心等の発生を効果的に抑制することができる。

光学素子３１の形成後、得られた光学素子３１を成形型組２と共に所定の温度（例えば、ガラス転移温度より１５０℃以上低い温度〜室温）まで冷却し、その後、光学素子３１を成形型組２から取り出すことにより光学素子３１を得ることができる。

尚、この冷却工程では、バルブ２０を開放してキャビティＣ内の温度よりも低い温度の雰囲気ガスを第２のガス供給手段からキャビティＣ内に供給することが好ましい。そうすることによって、光学素子３１の冷却速度を向上することができる。従って、光学素子３１の製造効率を向上することができる。但し、温度変化に敏感で割れやすいガラスにより光学素子３１が形成されているような場合には、雰囲気ガスの供給を停止した状態で冷却工程を行ってもよい。

尚、本実施形態では、レンズ状の光学素子３１を製造する場合を例示して本発明に係る一実施形態について説明したが、本発明は、プリズム等の他の光学素子にも好適に適用されるものである。

（変形例１）
図４は本変形例１に係る製造装置１の構成を表す部分断面図である。

例えば、偏心規格の厳しいレンズを成形するような場合には、下型２１及び上型２２の外径と胴型２３の内径の差が小さいことが好ましい。そうすることによって、下型２１に対する上型２２、胴型２３の傾きを抑制することができる。

しかしながら、下型２１及び上型２２の外径と胴型２３の内径の差が小さいとガス供給路２４からキャビティＣ内への雰囲気ガス供給効率が低下し、さらには実質的にキャビティＣ内への供給が停止してしまう虞もある。

このようなことに鑑み、本変形例１のように、例えば、ガス供給路２４と対面する下型２１の部分に切欠きを設けてもよい。具体的には、下型２１の下端面と胴型２３の下端面が面一のときにガス供給路２４が対面する高さの部分を周回に亘って切り欠いてもよい。そうすることによって、ガス供給路２４からキャビティＣ内への雰囲気ガス供給効率が向上させることができる。

（変形例２）
図５は変形例２に係る製造装置１の構成を表す部分断面図である。

上記実施形態では、ガス供給路２４のキャビティＣ側一端は、胴型２３内周面２３ｂの下型２１と対面する部分に開口する構成を例に挙げて説明したが、ガス供給路２４からの雰囲気ガスがキャビティＣ内に供給される限りにおいてキャビティＣ側開口の位置は特に限定されず、また、複数のキャビティＣ側開口を設けてもよい。

例えば、本変形例２のように、胴型２３内周面２３ｂの上型２２の円柱部２２ｂと対面する部分に開口するようにしてもよい。また、胴型２３の下型２１と対面する部分と円柱部２２ｂと対面する部分との双方に開口するようにしてもよい。

本発明に係る成形型組を用いることによって曇りや揮発物付着が抑制された光学素子を得ることができるため、デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）、デジタルビデオカメラ（ＤＶＣ）、携帯電話用カメラ等に用いられる撮像光学系、スキャナや複写機等に使用される走査光学系、コンパクトディスク（ＣＤ）等に使用される集光光学系等を構成する光学素子（レンズ、プリズム等）の製造に有用である。

製造装置１の構成を表す部分断面図である。 図１中切り出し線ＩＩ−ＩＩで切り出された部分の断面図である。 押圧工程を説明するための部分断面図である。 変形例１に係る製造装置１の構成を表す部分断面図である。 変形例２に係る製造装置１の構成を表す部分断面図である。

符号の説明

１ 製造装置
２ 成形型組
１０ チャンバ
１１、１２ ガス入出口
１３ 基台
１４ 下加熱板
１５ ヒータ
１６、１９ プレス軸
１７ 上加熱板
１８ フランジ
１９ プレス軸
２０ バルブ
２１ 下型
２２ 上型
２３ 胴型
２４ ガス供給路
３０ ガラス材
３１ 光学素子

Claims (10)

1. 上型と、該上型に対向配置された下型と、該上型と該下型とが摺動可能に挿入され、該上型と該下型と共に光学素子を成形するためのキャビティを区画形成する筒状の胴型とを備えた成形型組と、該成形型組が設置されたチャンバとを備えた製造装置を用いて光学素子を製造する方法であって、
   上記キャビティ内にガラス材を配置する配置工程と、
   上記配置されたガラス材を加熱する加熱工程と、
   上記加熱されたガラス材を上記上型と上記下型とでもってプレスして光学素子を成形する成形工程と、
   を備え、
   上記３つの工程のうち少なくとも加熱工程を、上記チャンバ内の雰囲気の酸素濃度を大気の酸素濃度よりも低く保ち、且つ上記キャビティ内の雰囲気の酸素濃度を上記チャンバ内の雰囲気の酸素濃度よりも低く保つと共に上記キャビティを上記チャンバに対して陽圧とした状態で行うことを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 請求項１に記載された光学素子の製造方法において、
   上記３つの工程のうち少なくとも加熱工程において、上記キャビティ内の雰囲気の酸素濃度が５０ｐｐｍ以下である光学素子の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載された光学素子の製造方法において、
   上記３つの工程のうち少なくとも加熱工程において、上記チャンバ内の雰囲気の酸素濃度が５０ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下である光学素子の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載された光学素子の製造方法において、
   上記キャビティ内の雰囲気は、実質的に、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス、及び水素ガスからなる群より選ばれた１種又は２種以上のガスで満たされている一方、上記チャンバ内の雰囲気は、実質的に窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスで満たされている光学素子の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載された光学素子の製造方法において、
   上記３つの工程のうち少なくとも加熱工程において、実質的に酸素を含まない雰囲気ガスを上記キャビティ内に直接供給することを特徴とする光学素子の製造方法。
6. 請求項５に記載された光学素子の製造方法において、
   上記成形した光学素子を冷却する冷却工程をさらに備え、
   上記雰囲気ガスの供給は上記冷却工程においても行うことを特徴とする光学素子の製造方法。
7. 上型と、該上型に対向配置された下型と、該上型と該下型とが摺動可能に挿入され、該上型と該下型と共に光学素子を成形するためのキャビティを区画形成する筒状の胴型とを備えた成形型組と、
   上記成形型組が設置されるチャンバと、
   上記チャンバに大気よりも低い酸素濃度のチャンバ用雰囲気ガスを供給するための第１のガス供給手段と、
   上記キャビティに上記チャンバ用雰囲気ガスよりも低い酸素濃度のキャビティ用雰囲気ガスを供給して上記キャビティを上記チャンバに対して陽圧とするための第２のガス供給手段と、
   を備えた光学素子の製造装置。
8. 請求項７に記載された光学素子の製造装置において、
   上記成形型組の外側表面には酸化防止膜が形成されている光学素子の製造装置。
9. 請求項７又は８に記載された光学素子の製造装置において、
   上記成形型組は、上記キャビティに供給されたキャビティ用雰囲気ガスが上記上型及び／又は上記下型と上記胴型との間隙から排出されるように構成されている光学素子の製造装置。
10. 請求項９に記載された光学素子の製造方法において、
    上記成形型組には、一端が上記胴型の内周面に開口する一方、他端が上記成形型組の上面に開口している，上記キャビティ用雰囲気ガスを上記キャビティに供給するためのガス供給路が形成されている光学素子の製造装置。

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