JP2008088006A - ガラス製プリフォーム群、ガラス製プリフォーム群の製造方法および光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
得られるプリフォーム群を構成するプリフォームの平均質量が小さい場合であっても、プリフォーム間の体積のバラツキが小さく、質量公差が小さい精密プレス成形用のガラス製プリフォーム群を提供する。
【解決手段】
精密プレス成形に供する複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォーム群であって、ガラス製プリフォームの平均質量Ｍ_ＡＶに対するガラス製プリフォームの質量公差の割合が±０．５×Ｍ_ＡＶ［％］以内であることを特徴とするガラス製プリフォーム群である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、ガラス製プリフォーム群、ガラス製プリフォーム群の製造方法および光学素子の製造方法に関する。

非球面レンズなどのガラス製光学素子を高精度に製造する技術として、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、精密に加工した成形面を有するプレス成形型を用いて、加熱されたガラス製のプリフォームをプレス成形し、光学素子全体の形状を成形するとともに、成形面を精密にガラスに転写して光学機能面を形成する方法である（例えば、特許文献１参照）。

また、上記光学素子を製造するために用いられるガラス製プリフォームは、例えば、熔融したガラスを流出して、所望質量の熔融ガラス塊を分離し、このガラス塊が冷却する過程でプリフォームに成形する方法により生産することができる（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０-３１６４４８号公報 特開２００２-１２１０３２号公報

近年、カメラ付き携帯電話のように撮像装置を内蔵する小型機器の需要が高まっている。このような撮像装置に組み込まれる撮像光学系は、超小型のレンズにより構成され、各レンズを精密に位置決め固定するために、各レンズが位置決め基準面を有することが好ましい。例えば、レンズ同士の間隔を精密に決めるための位置決め基準面としては、レンズ面の外周に設けた平面部を用い、レンズ同士の光軸を合わせるための位置決め基準面としては、レンズ側面を用いることができる。精密プレス成形法では、型の成形面をガラスに転写することにより、光学機能面のみならず、形成する面同士の位置関係、角度をも精密に規定することができるので、光学機能面と位置決め基準面とを一括して形成することができる。

このように精密プレス成形の特質を活かせば効率よく超小型の光学素子を製造することができるが、一方でプリフォームの体積を精密に管理しないと、次のような問題がおきる。

まず、プリフォームの体積が、上型、下型、胴型を有するプレス成形型を型閉めした状態で形成される空間の容積よりも大きい場合、プレス成形型を構成する型同士の間、例えば、上型と胴型との間や下型と胴型との間にはみ出し、成形バリとなって型の摺動性を損ない、生産停止の原因になったり、プレス成形型の破損の原因になったりする。一方、プリフォームの体積がプレス成形型を型閉めした状態で形成される空間の容積よりも小さい場合、前記空間へのガラスの充填が不十分になり、光学機能面の面精度が低下したり、ガラスの位置決め基準面になるはずの部分までガラスが到達せず、位置決め基準面が形成されなくなったりする。

したがって、光学機能面と位置決め基準面とを一括して形成するためには、体積精度、すなわち質量精度が高いプリフォームを使用することが望まれる。

上述したように、ガラス製プリフォームを生産性よく製造する方法としては、熔融したガラスをノズルから流出して、所望質量の熔融ガラス塊を分離し、このガラス塊が冷却する過程でプリフォームに成形する方法があり、この方法を用いてプリフォームを生産すれば、ガラスの熔融から始まって、光学素子を極めて高い生産性のもとで量産することができる。しかし、従来のガラス製プリフォームの生産方法では、プリフォームの体積に僅かなバラツキがあり、上記精密プレス成形に用いるには、必ずしも体積精度、すなわち質量精度が満足し得るものではなかった。このような問題は、特に、軽量のプリフォームを生産する場合に顕著であった。

本発明は、このような事情のもとで、各プリフォーム間の体積のバラツキが非常に制御された精密プレス成形用のガラス製プリフォーム群、該プリフォーム群を熔融ガラスから極めて高い生産性のもとで製造する方法、上記プリフォーム群または上記方法により得られたプリフォーム群を構成するプリフォームから光学素子を製造する方法を提供することを目的とするものである。

プリフォームの質量精度を向上させるために、本発明者が検討を重ねた結果、以下の知見を得るに至った。
（ａ）ノズルの流出口から熔融ガラスを滴下して得られる、プリフォーム母材となる熔融ガラス滴の質量は、一般に、ノズル流出口に垂下するガラスに作用する下向きの加速度、ノズル下端部分の外径、熔融ガラスの表面張力等によって決まるが、目的とするプリフォーム質量に対する質量公差の割合を小さくしようとすると、上記諸条件を一定に維持するだけでは質量のバラツキを抑えることができない。
（ｂ）上記質量のバラツキは、熔融ガラス滴の滴下時に、熔融ガラスがノズルの流出口に濡れ上がり、濡れ上がり量の多少により熔融ガラスの滴下量が僅かに変化するためと考えられる。
（ｃ）ノズルを詳細に観察すると、その先端が僅かながら振動しており、この僅かな振動が熔融ガラスの滴下量の変動を生じさせている。
（ｄ）また、ガラスに対するノズル外周面の濡れ性はノズル流出口雰囲気の温度変化、湿度変化により僅かに変化し、この僅かな変化が熔融ガラスの滴下量の変動を生じさせている。

これらの知見を基に、本発明者はさらに検討した結果、流出する熔融ガラスを、防振したおよび／または雰囲気の温度と湿度を制御した流出口から一定流量で順次滴下し、成形することにより、各プリフォーム間の体積のバラツキが非常に制御されたガラス製プリフォーム群を得ることができることを見出し、本知見に基づいて本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、
（１）精密プレス成形に供する複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォーム群であって、
ガラス製プリフォームの平均質量Ｍ_ＡＶに対するガラス製プリフォームの質量公差の割合が±０．５×Ｍ_ＡＶ［％］以内であることを特徴とするガラス製プリフォーム群、
（２）全表面が熔融状態のガラスが固化して形成された球状のガラス製プリフォームからなる上記（１）に記載のガラス製プリフォーム群、
（３）精密プレス成形に供する複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォーム群の製造方法であって、
一定流量で流出する熔融ガラスを、防振したおよび／または雰囲気の温度と湿度を制御した流出口から順次滴下し、成形することを特徴とするガラス製プリフォーム群の製造方法、
（４）前記熔融ガラス滴下後の成形を、得られた熔融ガラス滴に風圧を加え、浮上させながら行う上記（３）に記載のガラス製プリフォーム群の製造方法、
（５）上記（１）もしくは（２）に記載のガラス製プリフォーム群または上記（３）もしくは（４）に記載の方法で得られたガラス製プリフォーム群を構成するガラス製プリフォームを加熱し、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、および
（６）精密プレス成形が、上型、下型、胴型を有するプレス成形型の各成形面をガラスに転写することにより行われるものであって、
上型の成形面を転写して形成する面と胴型の成形面を転写して形成する面のなす稜および／または下型の成形面を転写して形成する面と胴型の成形面を転写して形成する面のなす稜を自由表面にして精密プレス成形する上記（５）に記載の光学素子の製造方法
を提供するものである。

本発明によれば、各プリフォーム間の体積のバラツキが非常に制御された精密プレス成形用のガラス製プリフォーム群、該プリフォーム群を熔融ガラスから極めて高い生産性のもとで製造する方法、上記プリフォーム群または上記方法により得られたプリフォーム群を構成するプリフォームから光学素子を製造する方法を提供することができる。

〔ガラス製プリフォーム群〕
先ず、本発明のガラス製プリフォーム群について説明する。
本発明のガラス製プリフォーム群は、精密プレス成形に供する複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォーム群であって、ガラス製プリフォームの平均質量Ｍ_ＡＶに対するガラス製プリフォームの質量公差の割合が±０．５×Ｍ_ＡＶ［％］以内であることを特徴とする。

本発明において、ガラス製プリフォーム群とは、同種のガラスからなり、形状、質量ともに揃った、精密プレス成形に供される複数個のガラス製プリフォームの集合を意味する。また、本発明において、ガラス製プリフォーム群は、必ずしも同一装置において、同日に一括して製造されたプリフォームロットのみからなる必要はなく、複数のプリフォームロットにより構成されていてもよい。例えば、１０００個のプリフォームからなるプリフォーム群については、１００個のプリフォームからなるロットが１０個集合して構成されると考えることもできるし、１０個のプリフォームからなるロットが１００個集合して構成されると考えることもできる。

プリフォーム群を構成するプリフォームの個数は１０００個以上が好ましく、２０００個以上がより好ましく、５０００個以上がさらに好ましい。個数の上限は、光学素子の必要個数により決定すればよい。

Ｍ_ＡＶは、プリフォーム群を構成するガラス製プリフォームの相加平均を意味し、例えば、ガラス製プリフォームが携帯電話の撮像装置等に用いられる超小型レンズ用のプリフォームである場合、Ｍ_ＡＶは、１ｍｇ〜２００ｍｇ、好ましくは５〜２００ｍｇ、より好ましくは８〜１６０ｍｇ程度である。

本発明のガラス製プリフォーム群は、Ｍ_ＡＶに対するガラス製プリフォームの質量公差の割合が±０．５×Ｍ_ＡＶ［％］以内にある。

ガラス製プリフォームの平均質量Ｍ_ＡＶに対するガラス製プリフォームの質量公差の割合は、±０．４×Ｍ_ＡＶ［％］以内にあることが好ましく、±０．３８×Ｍ_ＡＶ［％］以内にあることがより好ましい。

プリフォーム群を構成するプリフォームの個数が５００個以上である場合、プリフォームの平均質量Ｍ_ＡＶおよびＭ_ＡＶに対するプリフォームの質量公差の割合は、プリフォーム群から任意に抽出した５００個のプリフォームにより検証すれば十分である。

上述したように、携帯電話等のモバイル機器に内蔵される小型光学素子等は、正確なアライメントおよび組立てを可能ならしめるように、光学機能面と位置決め基準面を、プリフォームを精密プレス成形することにより一括して形成することが望まれており、上記精密プレス成形に供されるプリフォーム群を構成するプリフォームは、軽量であるとともに質量公差が小さいことが要求される。ところで、プリフォームの平均質量Ｍ_ＡＶが大きい場合は、Ｍ_ＡＶに対するプリフォームの質量公差の割合（質量公差／平均質量Ｍ_ＡＶ）を小さく抑えることが比較的容易であるが、プリフォームの平均質量Ｍ_ＡＶが小さい場合は、僅かな質量変動であっても、Ｍ_ＡＶに対するプリフォームの質量公差の割合（質量公差／平均質量Ｍ_ＡＶ）が大きくなってしまうため、従来、超軽量であって高い質量精度を有するプリフォームからなるプリフォーム群を提供することは困難であった。これに対して、本発明のガラス製プリフォーム群は、ガラス製プリフォームの平均質量Ｍ_ＡＶに対するガラス製プリフォームの質量公差の割合が±０．５×Ｍ_ＡＶ［％］以内にあるため、超軽量である場合でも高い質量精度を有するプリフォームからなるプリフォーム群を提供し得るものである。

本発明のガラス製プリフォーム群は、全表面が熔融状態のガラスが固化して形成された球状のガラス製プリフォームからなることが好ましい。

プリフォームの全表面を熔融状態のガラスを固化して形成した面とすることにより、全表面を自由表面とすることができ、表面の潜傷を無くすことができる。その結果、得られる各プリフォームは研磨製プリフォームよりも耐候性を高めることができる。耐候性が十分高くないと、プリフォーム表面にヤケと呼ばれる変質層が生じることがあり、この変質層を除去すると僅かながらプリフォームの質量が減少して、質量精度を低下させてしまうことになる。本態様によれば、プリフォームの全表面を熔融状態のガラスを固化して形成しているため、表面の潜傷を無くすことができ、上記不都合を解消することが可能になる。

また、プリフォームの形状を球状にすると、使用しているガラスが同種であれば、プリフォーム質量の増減に伴ってその直径も増減して、各プリフォームの質量と直径が一対一に対応することになる。そのため、プリフォームの直径のばらつきを管理すればプリフォームの質量精度を管理することができる。また、プリフォームを精密プレス成形して小型光学素子を得る際、球状のプリフォームを使用すると下型成形面が凹形状であれば、成形面の中心にプリフォームを安定に配置することが可能になる。

本発明のガラス製プリフォーム群は、以下に説明する本発明のガラス製プリフォーム群の製造方法により、好適に製造することができる。

〔ガラス製プリフォーム群の製造方法〕
次に、本発明のガラス製プリフォーム群の製造方法について説明する。
本発明のガラス製プリフォーム群の製造方法は、精密プレス成形に供する複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォーム群の製造方法であって、一定流量で流出する熔融ガラスを、防振したおよび／または雰囲気の温度と湿度を制御した流出口から順次滴下し、成形することを特徴とする。

以下、本発明のガラス製プリフォーム群の製造方法における好ましい態様を、図面に基
づいて説明する。

図１に示すように、プリフォーム群を生産するために、ガラス原料を加熱、熔融し、清澄、均質化して得られた熔融ガラスを、パイプ１の下端に設けられたノズル２へと導く。熔融ガラスはノズル２の下端に設けられた流出口から流出するが、単位時間あたりのガラス流出量が一定になるようにパイプ１およびノズル２の温度を制御する。

流出口から流出した熔融ガラスは表面張力によりノズル２の下端に垂下する。ノズル２の下端に熔融ガラスが留まろうとする力よりも垂下するガラスに働く下向きの力が強くなったときにノズル２の下端から熔融ガラスが落下する。ここで、単位時間あたりのガラス流出量は一定にしているので、熔融ガラスの落下は一定の周期でおきる。落下する熔融ガラス滴の総質量は、質量で表した単位時間あたりのガラス流出量に前記周期を乗じたものとなる。

このように、熔融ガラス滴の質量は、ノズル２の下端に熔融ガラスが留まろうとする力と垂下するガラスに働く下向きの力のバランスにより定まるが、上述したように、ノズルを詳細に観察すると、その先端の流出口部分が僅かながら振動しており、この僅かな振動が熔融ガラスの滴下量の変動を生じさせている。このため、ノズル２に防振措置を施して滴下を行うことにより、プリフォーム間の質量公差を小さくすることが可能になる。

具体的には、図２に示すように、パイプ１を介してノズル２に接続する、熔融ガラスを蓄積する容器を含むガラス熔融装置１０を防振台１１上に載置し、上記容器からパイプ１及びノズル２が吊下げられた構造とする。このようにすれば、建造物からの振動が、ガラス熔融装置１０およびパイプ１を介してノズル２に伝わることを防止でき、ノズル２の振動を抑えることができる。あるいはガラス熔融装置を支持する構造体と建造物の間に振動の伝播を遮断する防振機構を設けてもよい。

上記ガラス熔融装置１０は、容器内の熔融ガラスを加熱する手段や、容器を保温する手段、容器内の熔融ガラスを均質化するための攪拌手段等を有してもよく、パイプ１は、例えば、通電加熱用の電極や、パイプを保温するための保温手段等を有してもよい。

本発明の方法においては、上記防振措置とともにあるいは上記防措置に代えて流出口雰囲気の温度と湿度を制御して、熔融ガラスを順次滴下する。

上述したように、ガラスに対するノズル外周面の濡れ性はノズル流出口雰囲気の温度変化、湿度変化により僅かに変化し、この僅かな変化が熔融ガラスの滴下量の変動を生じさせていることから、ノズル２の流出口付近における雰囲気の温度と湿度を制御することにより、プリフォーム間の質量公差を小さくすることが可能となる。

具体的には、図２に示すように、上記ガラス熔融装置１０の下方にブース（恒温室）１２を設置し、このブース１２内にガラス熔融装置１０に接続するパイプ１とノズル２を収容し、このブース内１２には後述する成形型１３を設置する。複数の成形型を用いてプリフォームを連続生産する場合には、ブース１２内には複数の成形型と、これを載置するターンテーブル、ターンテーブルをインデックス回転する駆動装置を設置し、熔融ガラスの滴下及び熔融ガラス滴からプリフォームへの成形が前記ブース内で行われるようにする。

そして、このブース内の温度、湿度を図示しない温調装置及び湿度調整装置（以下、温度湿度調整機という）によって所要の状態に一定に保つ。このような操作によってノズル２の流出口周辺の雰囲気の温度と湿度を制御する。上記温度湿度調整機は温度、湿度のセンサーを有し、センサーで検知した結果をフィードバックして設定温度及び設定湿度にブ
ース１２内の雰囲気を維持する。例えば、冬場の乾燥時には加湿して過度の低湿度にならないようにしたり、梅雨期などの多湿期には除湿して過度の高湿度にならないようにする。温度についても、外気温の変動に対し、ブース１２内の気温が設定温度から外れないように制御する。こうしてノズル２外周へのガラスの濡れ上がり量が一定になるように制御して、得られるプリフォーム間の質量公差を小さくすることができる。

本発明の方法において、熔融ガラスの滴下とは、熔融ガラス塊がノズル流出口から落下する現象と、熔融ガラス流の先端が熔融ガラスを受ける成形型の受け面に達した後に、ノズル流出口と熔融ガラス流の先端との間に形成される糸状状部分がちぎれて滴下、分離する現象の両者を含むものとする。

そして、熔融ガラス流の先端が前記成形型の受け面に達した後に熔融ガラス滴の分離を行う上記方法では、図１に示すように、ノズル２の下端（流出口付近）に垂下する熔融ガラスの周囲をカバー５で覆った状態で前記滴下を行うことが熔融ガラス滴の質量を一定に保つ上から望ましい。カバー５は中空円筒状であることが好ましく、図１に示すように熔融ガラス滴の落下経路を遮らないように設置する。そして、ノズル先端で生じる対流による上昇気流を弱めるため、カバー５の上部を塞ぐことが望ましい。このような構成により、熔融ガラスのちぎれる位置を安定化することができ、ガラス滴の質量バラツキをより小さくすることができる。

ところで、上記糸状部分の長短を決める主要因はガラス中のＳｉＯ_２の含有量であり、ＳｉＯ_２の含有量が多くなる（例えば、２０質量％超）と糸状部分が長くなり、ＳｉＯ_２の含有量が少なくなる（例えば、２０質量％以下）と糸状部分が短くなる。ＳｉＯ_２の含有量が多い、長い糸状部分を形成するガラスでは、熔融ガラス流の先端が成形型の受け面に到達する際の衝撃により、糸状部分がちぎれ易くなるため、熔融ガラスの滴下効率が向上する。

したがって、落下した熔融ガラスを受ける成形型の受け面とノズル先端との距離とを一定にして、一定周期で熔融ガラスの滴下を行うことが好ましい。このような構成により、糸状部分の長さ、熔融ガラス流の先端が成形型の受け面に到達する際の衝撃発生のタイミングを滴下毎に安定化することができ、ガラス滴の質量バラツキを小さくすることができる。

カバー５は、ノズル２の下端（流出口）周辺を覆っていれば必ずしも熔融ガラス滴の滴下経路全体を覆う必要はなく、カバー５の長さは、ノズル２の下端（流出口）から成形型の受け面までの距離の１／５〜４／５に相当する部分を覆う長さにすることが好ましく、ノズル２の下端（流出口）から成形型の受け面までの距離の３／１０〜７／１０に相当する部分を覆う長さにすることがより好ましい。

カバー５が中空円筒状である場合、その口径は、大きすぎると作業性が低下し、カバー５内の雰囲気を安定化しにくくなり、小さすぎると流出する熔融ガラスがカバー５の表面に付着したり、あるいは、ノズル２やパイプ１などと接触してしまう場合がある。また、後述するように、ノズル２の下端において垂下する熔融ガラスに風圧を加えて落下を促す場合、口径が小さすぎると、ノズルまわりで安定した気流を作り出すことが難しくなる。カバー５の口径は、質量公差が小さくなるように、上記点に配慮しつつ適宜設定する。

上記カバー５はノズル２の下端に垂下する熔融ガラスの冷却スピードを遅くする働きを有する。すなわち、カバー５によって垂下する熔融ガラスが保温され、ガラスの粘度上昇スピードが遅くなり、糸状部分の粘度を分離に適した範囲に保ち、ガラス滴の粘度もガラスの球状化に適した範囲にすることができる。

なお、カバー５を絶縁体で構成するとともに、図１に示すように、カバーの周囲に高周波コイル６を配置して高周波電流を流し、ノズルを高周波誘導加熱することが好ましい。このような構成により、カバー５を誘導加熱することなく、白金あるいは白金合金等からなるノズルを誘導加熱することができ、ガラスを失透させず、しかも所望の流出量が維持されるようにノズル２の温度を制御することができる。

パイプ１の下端およびノズル２の外周には図１に示すようにガス流路形成用カバー３を設けることが好ましい。ガス流路形成用カバー３を設けることにより、パイプ１およびノズル２と、ガス流路形成用カバー３との間の空間にガス流路４を形成することができる。そして、ガス流路形成用カバー３の下端には開口部３-１を設け、該開口部からノズル２の先端を突出させる。ガス流路形成用カバー３、ガス流路形成用カバー開口部３−１は、それぞれノズル２の中心軸の周りに同軸状に配置することが好ましい。また、ガス流路形成用カバー開口部３−１から排出されるガスも上記中心軸の周りに均等に流すことが望ましい。

熔融ガラスの滴下は熔融ガラスがノズル下端に留まろうとする力よりも垂下する熔融ガラスに働く重力が大きくなったときにおきるが、この方法では、ノズル下端に留まろうとする力で決まる質量のガラス滴しか得られず、より軽量のガラス滴を滴下することができない。これに対して、上記方法によりガス流路形成用カバー開口部３−１から下向きに一定の流量で連続してガスを噴出すると、垂下する熔融ガラスはガスによる風圧により下向きの力を受けるから、その分、より軽量のガラス滴を得ることが可能になる。そして、ガス流量が一定になるようにマスフローコントローラなどによりガスの流量制御を行えば、ガラス滴の質量を安定化することが可能になる。

上記熔融ガラス滴下後の成形は、得られた熔融ガラス滴に風圧を加え、浮上させながら行うことが好ましい。

ノズル下方には、図３に示すような凹部断面を有する成形型１３を搬入して、上記凹部でノズルから一定周期で滴下するガラス滴１４を受け、凹部内に転がして或いは滑らせて導入し、凹部底部に設けられたガス噴出口から上向きに噴出するガスにより凹部内でガラス滴１４を上下動させながら球状に成形してプリフォームを得る。プリフォームの量産は、複数個の成形型１３を用意して成形型を次々とノズル下方に搬入してはガラス滴１４を受け、ガラス滴１４を受けた成形型１３をノズル下方から搬出して、空の成形型１３をノズル下方へと搬入する方法により行うことが好ましい。成形型１３は移動しながら、凹部内でガラス滴１４をプリフォームに成形し、プリフォームが変形しない温度域にまで冷却した後、成形型１３からプリフォームを取り出し、空の成形型として再びノズル下方に搬入される。このような工程を複数の成形型毎に次々と行うことにより、プリフォームを量産して、プリフォーム群を得ることが可能になる。

以上のように、本発明の方法によれば、プリフォームの質量変動の原因であるノズル流出口の振動とガラス濡れ上がり量の変動を抑えることができ、プリフォーム間の質量公差の小さいプリフォーム群を生産することが可能になる。

〔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、本発明のガラス製プリフォーム群または本発明のガラス製プリフォーム群の製造方法により得られたガラス製プリフォーム群を構成するプリフォームを加熱し、精密プレス成形することを特徴とするものである。

精密プレス成形は、上型、下型、胴型を含むプレス成形型を用い、プリフォームを加熱し、プレス成形して、プレス成形型の成形面の形状を正確にガラスに転写形成する方法である。上型、下型、胴型等の各型の作製方法およびその材質や、上型、下型の成形面に形成する離型膜およびその形成方法、精密プレス成形を行う雰囲気の種類などは公知の技術を適用すればよい。

精密プレス成形法の一例としては、図４に示すように、球状プリフォーム１９を、胴型１５内に挿入した凹面形状の下型１６の成形面の中心に配置し、下型１６の成形面に成形面が対向するように上型１７を胴型１５内に挿入する。この状態でプリフォーム１９と、プレス成形型（胴型１５、下型１６、上型１７）を一緒に加熱して、プリフォーム１９を構成するガラスの温度が、例えば１０⁶ｄＰａ・ｓの粘度を示す温度にまで上昇したときに、押し棒１８を降下させて上型１７と下型１６でプリフォーム１９を加圧する。加圧されたプリフォーム１９は上型１７、下型１６、胴型１５により囲まれた空間（キャビティという）内に押し広げられる。このようにして、ガラス製プリフォーム１９をプレスし、プレス成形型を型閉めした状態で形成される密閉空間内にガラスを充填する。

型閉め状態での上型１７、下型１６、胴型１５の各成形面の相対位置、面法線のなす角度は、予め精密に形成しておく。このようなプレス成形型を使用して上記成形を行えば、光学機能面と位置決め基準面を互いに高精度の位置関係、角度で形成することができる。

レンズの成形を例にすると、上型成形面の中央部を、レンズの光学機能面であるレンズ面を転写成形する部分とし、上型成形面の周辺部を、鍔状平坦部を転写成形する部分として、輪帯状にする。下型成形面についても同様に、成形面中央部をレンズ面を転写成形する部分とし、成形面周辺部を鍔状平坦部を転写成形する部分として、輪帯状にする。プレス成形終了まで上下型の向きを互いに対向するように、かつ上下型の中心軸が一致するように正確に維持する。

プレス成形型を型閉めした状態で形成される密閉空間内にガラスを充填することにより、胴型貫通孔の内面がガラスに転写される。胴型貫通孔の中心軸と前記貫通孔内面の角度を精密に形成しておき、プレス成形終了まで上記貫通孔の中心軸と上下型中心軸とが精密に一致するよう維持することにより、例えば、図５に示すように、２つのレンズ面２０、２１、２つの鍔状平坦部２２、２３および胴型の内面が転写して形成されるコバ（鍔状平坦部２２、２３の側面）２４を有するレンズを精密に形成することができるとともに、上記各部の相対位置や各面のなす角度とを正確に形成することができる。

本発明の方法により得られる光学素子は、光学機能面のほかに位置決め基準面を有する。例えば、レンズの位置決め基準面はレンズ同士の間隔を決めるための基準面とレンズの光軸同士を正確に一致させるための基準面とし、これら基準面をホルダーに当接させることにより、各レンズを正確にアライメントすることができる。上記の例で言えば、鍔状平坦部２２、２３のうちの一方を第１の位置決め基準面とし、この基準面をホルダーに当接することにより、レンズ間の距離を正確に位置決めすることができる。他方の鍔状平坦面には前記当接した状態を維持するための圧力を加え、レンズのホルダーへの固定状態を維持することが好ましい。また、コバ２４を第２の位置決め基準面とし、レンズの光軸を正確に一致させるための基準面として使用する。

光学素子には、少なくとも２面以上、具体的には２面あるいは３面の位置決め基準面を精密プレス成形によって形成することが望ましい。上記２面あるいは３面の位置決め基準面は互いに非平行に形成されることが好ましい。このように互いに非平行な２つの基準面を用いて光学素子を位置決めすれば、光学系における光学素子の位置決めと、向きを精度よく定めることができる。レンズのように回転対称性を有する光学素子は２つの位置決め
基準面があればよい。プリズムのような回転対称性のない光学素子の場合には、３つの位置決め基準面を形成することにより、光学系における位置決めとその位置における向きを精度よく定めることができる。

上下型成形面にはガラスの離型性を向上させる目的で離型膜を設けるが、胴型の内面（上型、下型を挿入する貫通孔の内面）に均一な厚みの離型膜を設けることは困難であるため、コバに転写される成形面には通常離型膜が設けられていない。したがって、プレス成形時にガラスが胴型の内面に融着しないようにするには、コバ２４の面積をガラスが破損しない範囲で小さくし、ガラスと胴型の接触面積を必要最小限にすることが好ましい。ところで、コバ厚（鍔状平坦部２２、２３間の距離）が薄いレンズを精密プレス成形する際、ガラスはレンズ面となる部分から充填され、次第に胴型方向に押し広げられるが、このとき、２つの鍔状平坦部２２、２３を転写成形する上型成形面と下型成形面の間の空間の容積が小さいため、プリフォームを構成するガラスの量が僅かでも過剰だとガラスは前記空間からはみ出して成形バリが生じ、前記ガラスの量が僅かでも少ないと、プレスしてもガラスがスリーブ型に到達せず、位置決め基準面となるコバが形成されなくなってしまう。つまり、上記光学素子を成形するためのプリフォームは、全質量のうち、極めて僅かな量しか過不足が許容されないが、本発明の方法においては、目的とするレンズの質量に対して得られるプリフォームの質量が正確に定められているので、コバ厚が薄い場合であっても、胴型の内面が転写されて位置決め基準面として機能するコバを成形することができるし、成形バリが発生して光学素子の量産工程を停止させてしまうこともない。

本発明の方法においては、上型の成形面を転写して形成する面と胴型の成形面を転写して形成する面のなす稜および／または下型の成形面を転写して形成する面と胴型の成形面を転写して形成する面のなす稜を自由表面にしてガラス製プリフォームを精密プレス成形することが好ましい。

上述したようにコバと鍔状平坦部が精密に形成されていれば、位置決め機能に支障をきたすおそれはないが、例えば、図５に示すレンズにおいて、稜２５または稜２６が鋭利になっていると、ホルダーにはめ込む際に稜が欠けたり、稜がホルダーを削ってしまい、発塵の原因になってしまう。塵が撮像素子の受光面に付着すると画質が大幅に低下してしまうため、このようなトラブルを防止する上から、自由表面からなる稜を有する光学素子を成形することが望ましい。また、上記稜を自由表面にすることにより、プリフォーム間に多少の質量公差が生じた場合でも、稜部分が体積調整の役割を果たし、成形バリの発生やガラスの充填不足といった問題の発生を回避することが可能になる。

このようにして作製した光学素子には必要に応じて反射防止膜などの光学多層膜を形成してもよい。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。

実施例１（ガラス製プリフォーム群の製造例）
まず、所望の光学特性、ガラス転移温度を有する光学ガラスが得られるようにガラス原料を秤量、調合して十分撹拌し、熔融容器内に導入して、加熱、熔融し、清澄、撹拌して均質な熔融ガラスを用意した。このガラスは、Ｂ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＢａＯ、Ｌｉ_２Ｏを含有し、屈折率ｎｄが1.58313、アッベ数νdが59.46であるものである。

図１に示す装置を用いて上記熔融ガラスから目標質量が１００ｍｇであるガラス製プリフォームを３０００個生産した。
ここで、熔融容器を含むガラス熔融装置は防振台上に載置してある。防振台にはガラスを流下するためのパイプ１を通す開口部が設けられており、この開口部を通してパイプ１が上記容器から吊下げられた構造になっており、パイプ１の下端には熔融ガラスを流出するノズル２が取り付けられている。上記構造によりこれらの設備を設置した建造物からの振動が防振台により遮断され、ノズル２に伝わらないようにしている。

ノズル２の下方には成形型が配置されており、パイプ１の下端部分、ノズル２および成形型は、エアコンにより内部雰囲気が温度２５℃、相対湿度が１０〜９５％の範囲に制御されたブース内に置かれている。上記構造により、ノズル２の下端に設けられた熔融ガラス流出口付近の温度と湿度を制御して、ノズル外周面の熔融ガラスの濡れ性を一定に制御することが可能になる。

熔融容器底部に接続したパイプ１を通じて、パイプ１の下端に取り付けたノズル２から一定流量で熔融ガラスを流出する。ノズル２、パイプ１および熔融容器はそれぞれ、ガラスが失透せず、所望の流出量が得られる粘度になるよう、温度制御されている。

パイプ１の下端およびノズル２の外周には図１に示すようにガス流路形成用カバー３が設けられ、パイプ１およびノズル２と、ガス流路形成用カバー３との間の空間にガス流路４を形成している。そして、ガス流路形成用カバー３の下端には開口部３-１を設け、該開口部からノズル２の先端を突出させている。ノズル２、ガス流路形成用カバー３、ガス流路形成用カバー開口部３−１は、それぞれノズル２の中心軸の周りに同軸状に対称に配置することが好ましい。また、ガス流路形成用カバー開口部３−１から排出されるガスも上記中心軸の周りに均等に流すことが望ましい。

本実施例では、ノズル２の下端に垂下する熔融ガラスが一定周期で落下するように、パイプ１の内径、ノズル２の内外径、パイプ１とノズル２の温度を調整して、ガラスの流出量を制御している。ノズル２の流出口から流出する熔融ガラスはノズル下端に垂下するが、垂下した熔融ガラスには、ガス流路形成用カバー開口部３−１から下向きに一定の流量で連続して噴出するガスが噴きかかり、下向きの風圧が加わり、より軽量のガラス滴を得ることが可能になる。そして、ガス流量が一定になるようにマスフローコントローラなどによりガスの流量制御を行えば、ガラス滴の質量を安定化することが可能になる。

図１に示すように、ノズル２およびガス流路形成用カバー３の周囲には、カバー５が取り付けられている。カバー５は、ノズル２の下端（流出口）から後述する成形型の受け面までの距離の１／３〜１／２に相当する部分を覆っており、またカバー５の上部も塞がれている。ただし、熔融ガラスの滴下経路を遮断しないよう下方は開口している。カバー５により外部雰囲気による外乱、例えばノズル周りの上昇気流を低減し、カバー５内に安定した状態の雰囲気を作り出すことができ、ガス流路形成用カバー開口部３−１から噴出するガスも定常的に安定して下向きに流れることができる。

カバー５の外側には高周波誘導コイル６を配置し、高周波電流を流して、ノズル２を高周波誘導加熱する。カバー５は誘導加熱されないように予め耐熱性の絶縁体で作製することが好ましく、このような絶縁体としては石英ガラスなどが好適である。このように透明な耐熱性絶縁体でカバー５を作れば、外側からカバー５内部を観察することも可能となる。

落下する熔融ガラスはノズル下方で待機する成形型で受ける。ガラス滴の質量を安定化するため、成形型の熔融ガラス下端を受ける受け面とノズル下端の距離が一定になるように成形型を待機させ、落下する熔融ガラスの下端を受け、熔融ガラスが受け面に到達したときの衝撃により糸状部分においてガラスを分離する。図３に、上記成形型の垂直断面図
を示す。成形型１３の受け面１３-１で熔融ガラス滴１４を受ける。受け面１３-１は成形型１３の上面に設けられた凹部１３-２の底部方向に傾斜しているので、熔融ガラス滴１４は受け面１３-１から凹部１３-２内へと滑り込む（転がり込む）。

凹部１３-２の断面は図３に示すように下から上に向けてラッパ状に広がる形状を有し、凹部１３−２の底部には上向きにガスを噴出するガス噴出口が１つ設けられている。凹部１３−２に導入した熔融ガラス滴１４は凹部底部に向けて凹部内壁を転がりながら下降するが、凹部の内径が下に行くにつれて減少するようになっているので、ガラス滴１４は下降するほど上向きの風圧を強く受けることになる。その結果、ガラス滴１４は凹部１３−２内で上昇するが、上昇すると上向きの風圧が弱まるので、再度凹部内壁に沿って転がりながら下降することになる。このように、ガラス滴１４は凹部内を上昇しては転がりながら下降するという運動を短時間で繰り返し行うことになる。熔融ガラス滴が凹部内壁を転がる方向はランダムであるから、上記運動を繰り返すうちにガラス滴１４は球状化しながら冷却し、球プリフォームに成形される。プリフォームが変形しない温度まで冷却した時点で凹部１３−２内のプリフォームを取り出し、ガラスが割れないスピードで室温まで冷却する。

複数個の成形型を用いて上記工程を繰り返すことにより、等質量の球状プリフォームを量産することができる。このようにして、平均質量Ｍ_ＡＶが１００．１６ｍｇで、質量公差の割合が±０．２１×Ｍ_ＡＶ％以内である、球状の光学ガラス製プリフォーム３０００個からなるプリフォーム群を得た。なお、上記平均質量Ｍ_ＡＶおよび質量公差の割合は、得られた複数のプリフォームから５００個取り出して求めた値である。

実施例２（ガラス製プリフォーム群の製造例）
Ｂ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＣａＯ、Ｌｉ_２Ｏを含有し、屈折率ｎｄが1.69350、アッベ数νｄが53.20である光学ガラスを用いた以外は、実施例１と同様にしてプリフォーム群を作製し、平均質量Ｍ_ＡＶが９９．８８ｍｇで、質量公差の割合が±０．２７×Ｍ_ＡＶ％以内である、球状の光学ガラス製プリフォーム３０００個からなるプリフォーム群を得た。
なお、上記平均質量Ｍ_ＡＶおよび質量公差の割合は、得られた複数のプリフォームから５００個取り出して求めた値である。

実施例３（ガラス製プリフォーム群の製造例）
Ｐ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＢａＯ、Ｌｉ_２Ｏを含有し、屈折率ｎｄが1.82114、アッベ数νｄが24.06である光学ガラスを用いた以外は、実施例１と同様にしてプリフォーム群を作製し、平均質量Ｍ_ＡＶが９９．８１ｍｇで、質量公差の割合が±０．３１×Ｍ_ＡＶ％以内である、球状の光学ガラス製プリフォーム３０００個からなるプリフォーム群を得た。
なお、上記平均質量Ｍ_ＡＶおよび質量公差の割合は、得られた複数のプリフォームから５００個取り出して求めた値である。

実施例４（ガラス製プリフォーム群の製造例）
ノズル２の下端（流出口）の温度と湿度を制御しない以外は、実施例１〜３と同様にしてプリフォーム群を作製し、いずれも平均質量Ｍ_ＡＶが１００．２５ｍｇで、質量公差の割合が±０．４３×Ｍ_ＡＶ％以内である、球状の光学ガラス製プリフォーム３０００個からなる複数のプリフォーム群を得た。
なお、上記平均質量Ｍ_ＡＶおよび質量公差の割合は、得られた複数のプリフォーム群からそれぞれ５００個取り出して求めた値である。

実施例５（ガラス製プリフォーム群の製造例）
防振台を設けなかった以外は、実施例１〜３と同様にしてプリフォーム群を作製し、いずれも平均質量Ｍ_ＡＶが１００．３８ｍｇで、質量公差の割合が±０．４７×Ｍ_ＡＶ％以内である、球状の光学ガラス製プリフォーム３０００個からなる複数のプリフォーム群を得た。
なお、上記平均質量Ｍ_ＡＶおよび質量公差の割合は、得られた複数のプリフォーム群からそれぞれ５００個取り出して求めた値である。

比較例１（ガラス製プリフォーム群の製造例）
ノズル２の下端（流出口）の温度と湿度を制御せず、防振台を設けなかった以外は、実施例１〜３と同様にしてプリフォーム群を作製し、いずれも平均質量Ｍ_ＡＶが１００．７４ｍｇで、質量公差の割合が±０．７９×Ｍ_ＡＶ％以内である、球状の光学ガラス製プリフォーム３０００個からなる複数のプリフォーム群を得た。
なお、上記平均質量Ｍ_ＡＶおよび質量公差の割合は、得られた各プリフォーム群からそれぞれ５００個取り出して求めた値である。

実施例６（光学素子の製造例）
実施例１〜５で得た各プリフォーム群を使用して、図５に示す断面形状を有する小型非球面レンズを精密プレス成形によりそれぞれ作製した。いずれのレンズも破損は見られず、レンズとして十分な光学性能を有していた。各レンズのコバ２４、鍔状平坦部２２はプレス成形型の成形面が転写されたものであり、コバ２４と鍔状平坦部２２が交わる稜２５は丸みを帯びた自由表面とした。各レンズにおいて成形バリの発生は認められなかった。
これらの非球面レンズは携帯電話に内蔵される撮像装置の撮像光学系を構成するレンズとして機能する。このようにして得たレンズと、形状以外は全く同じ方法で作製した位置決め基準面としてコバと鍔状平坦部を有するレンズを、レンズホルダーに組み込み、位置決め基準面をホルダーに当接した状態で固定することにより、各レンズを正確にホルダー内に配列することができた。

上記実施例１〜５と比較例１とを対比することより、熔融ガラスの流出口を防振しおよび／またはその雰囲気温度と湿度を制御することで、得られるプリフォーム群を構成するプリフォームの平均質量が１００ｍｇ程度と小さい場合であっても、プリフォーム間の質量公差を小さくできることがわかる。また、上記実施例６より、上記各プリフォーム群から、精度の高い光学素子を量産性よく作製できることがわかる。

本発明によれば、各プリフォーム間の体積のバラツキが非常に制御された精密プレス成形用のガラス製プリフォーム群、該プリフォーム群を熔融ガラスから極めて高い生産性のもとで製造する方法、上記プリフォーム群または上記方法により得られたプリフォーム群を構成するプリフォームから光学素子を製造する方法を提供することができる。

本発明のガラス製プリフォーム群の製造方法を説明するための概略図である。 本発明のガラス製プリフォーム群の製造方法を説明するための概略図である。 本発明のガラス製プリフォーム群の製造に使用する成形型の１例を説明するための概略図である。 本発明の光学素子の製造方法を説明するための概略図である。 本発明の方法で得られる光学素子の１例を説明するための概略図である。

符号の説明

１ パイプ
２ ノズル
３ ガス流路形成用カバー
３−１ 開口部
４ ガス流路
５ カバー
６ 高周波誘導コイル
１０ 熔融装置
１１ 防振台
１２ 恒温室
１３ 成形型
１３−１ 受け面
１３−２ 凹部
１４ 熔融ガラス滴
１５ 胴部
１６ 下型
１７ 上型
１８ 押し棒
１９ ガラス製プリフォーム
２０、２１ レンズ面
２２、２３ 鍔状平坦部
２４ コバ
２５、２６ 稜

Claims (6)

1. 精密プレス成形に供する複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォーム群であって、
   ガラス製プリフォームの平均質量Ｍ_ＡＶに対するガラス製プリフォームの質量公差の割合が±０．５×Ｍ_ＡＶ［％］以内であることを特徴とするガラス製プリフォーム群。
2. 全表面が熔融状態のガラスが固化して形成された球状のガラス製プリフォームからなる請求項１に記載のガラス製プリフォーム群。
3. 精密プレス成形に供する複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォーム群の製造方法であって、
   一定流量で流出する熔融ガラスを、防振したおよび／または雰囲気の温度と湿度を制御した流出口から順次滴下し、成形することを特徴とするガラス製プリフォーム群の製造方法。
4. 前記熔融ガラス滴下後の成形を、得られた熔融ガラス滴に風圧を加え、浮上させながら行う請求項３に記載のガラス製プリフォーム群の製造方法。
5. 請求項１もしくは請求項２に記載のガラス製プリフォーム群または請求項３もしくは請求項４に記載の方法で得られたガラス製プリフォーム群を構成するガラス製プリフォームを加熱し、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。
6. 精密プレス成形が、上型、下型、胴型を有するプレス成形型の各成形面をガラスに転写することにより行われるものであって、
   上型の成形面を転写して形成する面と胴型の成形面を転写して形成する面のなす稜および／または下型の成形面を転写して形成する面と胴型の成形面を転写して形成する面のなす稜を自由表面にして精密プレス成形する請求項５に記載の光学素子の製造方法。
   
   
   
   
   

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