JP2008150266A - 光学素子の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、温度が変化した時に粘度が大きく変化する光学素材であっても良好にプレス成形することができる光学素子の成形方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の光学素子の成形方法は、上金型１１と下金型１２と胴型１３とで形成される空間１４ａに光学素材１５を供給した後、この光学素材１５を加熱加圧成形する光学素子の成形方法において、前記光学素材１５を加熱加圧成形する際に光学素材１５の変形速度を所定の値以下に制御するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種光学機器などに用いられるガラスからなる光学素子の成形方法に関するものである。

以下、従来の光学素子の成形方法について、図面を参照しながら説明する。

図４（ａ）（ｂ）、図５（ａ）（ｂ）は従来の光学素子の成形方法を模式的に示す成形工程図、図６は同光学素子の成形方法を示す成形条件チャートである。

図４（ａ）において、１，２はそれぞれ超硬合金からなる上金型および下金型で、この上金型１および下金型２は光学素子の上下の面形状を転写するための成形面１ａ，２ａを備えている。３は上金型１と下金型２を同軸上に規制する中空円筒状の胴型で、この胴型３と前記上金型１および下金型２とで一組の成形金型４を構成している。５は光学ガラス材料よりなる光学素材で、この光学素材５は予め球形状に研磨加工している。６は加熱手段を有する支持部で、この支持部６は前記上金型１を加熱するとともに支持するものである。７は加熱手段を有するプレスヘッドで、このプレスヘッド７は前記下金型２を加熱するとともに加圧力を下金型２に加えるものである。８はプレスヘッド７に加圧力を加える加圧シャフト、９は加圧シャフト８に加圧力を加える加圧シリンダである。

従来の光学素子の成形方法は、まず、図４（ａ）に示すように、胴型３に下方向から挿入された下金型２の成形面２ａの上に光学素材５を載置し、そして上金型１の成形面１ａを光学素材５の上面から所定の距離を隔てた位置まで接近させる。この状態は図６における時刻Ｔ００の初期状態で、一組の成形金型４は温度Ｚ０１に保持されており、下金型２に加えられた加圧力Ｐ００は０であり、そして上金型１と下金型２との間の上下金型間距離はＸ００である。

次に、図６に示すように、光学素材５および成形金型４が成形温度である温度Ｚ０２に達するように昇温させる昇温ステージを行う。

次に、時刻Ｔ０１において加圧シリンダ９により上金型１と下金型２との間に圧力Ｐ０１を加え、光学素材５の成形を行う成形ステージを行う。この成形ステージにおいて、金型間距離はＸ００から接近を開始し、Ｘ０１の位置で上金型１の成形面１ａが光学素材５に接触する。この状態を図４（ｂ）に示す。

そして、このＸ０１の位置から、光学素材５を変形させながら、さらに金型間距離を縮ませる。このとき、金型間距離は最初は大きく変化し、そして光学素材５の変形が進むにつれてその変化は小さくなる。時刻Ｔ０２に至るまで温度Ｚ０２、圧力Ｐ０１で成形を行う。この成形ステージにおいて、光学素材５はプレスされて、図５（ａ）に示すように光学素子１０が形作られる。

次に、時刻Ｔ０２から時刻Ｔ０３までは、成形金型４および光学素子１０を冷却する冷却ステージを行う。この冷却ステージにおいては、温度をＺ０２からＺ０１まで冷却するとともに、加圧シリンダ９の加圧力をＰ０２、Ｐ０３へと切り替えて加圧を行う。この冷却ステージでは、冷却に伴う光学素子１０の収縮によって金型間距離はさらに縮まり、そしてこの金型間距離は光学素子１０の目標寸法に相当するＸ０２に達する。

上記冷却ステージが終わった後は、図５（ｂ）に示すように、上金型１と下金型２を開放し、そして光学素子１０を取り出す（図示せず）。

以上のように従来の光学素子１０は、上金型１および下金型２に加える温度と圧力を制御して加熱加圧することにより成形していた。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００６−９６５７９号公報

しかしながら、上記した従来の光学素子の成形方法においては、温度と圧力を制御することにより光学素子１０を成形しているため、温度の変化に対して敏感に粘度が変化する光学素材５の粘度が温度制御のばらつきにより大きく低下した場合、成形時の変形速度が大きくなりすぎてしまい、その結果、この変形による歪が内部に蓄積されて、図７に示すように、成形された光学素子１０が冷却時にひび割れ１０ａを起こしてしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、温度が変化した時に粘度が大きく変化する光学素材であっても良好に成形することができる光学素子の成形方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、上金型と下金型と胴型とで形成される空間に光学素材を供給した後、この光学素材を加熱加圧成形する光学素子の成形方法において、前記光学素材を加熱加圧成形する際に光学素材の変形速度を所定の値以下に制御するようにしたもので、この成形方法によれば、光学素材の変形速度を制御するようにしているため、光学素材の粘度が大きく低下しても変形速度が大きくなりすぎることは無く、所定の変形速度で変形させることができ、これにより、光学素材の変形時に大きな歪が蓄積するということはなくなるため、プレス成形後の冷却時における光学素子の割れを未然に防止することができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、上金型または下金型の加圧に対する限界位置を規制する加圧限界を設け、この加圧限界の位置を加熱温度と時間によって制御することにより光学素材の変形速度を制御するようにしたもので、この成形方法によれば、上金型または下金型の加圧に対する限界位置を規制する加圧限界を設け、この加圧限界の位置を加熱温度と時間によって制御するようにしているため、成形時において、光学素材が軟化して弱い加圧力で変形が可能な状態にあっても、所定の変形速度で成形することができ、これにより、プレス成形後の冷却時における光学素子の割れを未然に防止することができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の光学素子の成形方法は、上金型と下金型と胴型とで形成される空間に光学素材を供給した後、この光学素材を加熱加圧成形する光学素子の成形方法において、前記光学素材を加熱加圧成形する際に光学素材の変形速度を所定の値以下に制御するようにしているため、光学素材の粘度が大きく低下しても変形速度が大きくなりすぎることは無く、所定の変形速度で変形させることができ、これにより、光学素材の変形時に大きな歪が蓄積するということはなくなるため、プレス成形後の冷却時における光学素子の割れを未然に防止することができるという優れた効果を奏するものである。

以下、本発明の一実施の形態における光学素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）（ｂ）、図２（ａ）（ｂ）は本発明の一実施の形態における光学素子の成形方法を模式的に示す成形工程図、図３は同光学素子の成形方法を示す成形条件チャートである。

図１（ａ）において、１１，１２はそれぞれタングステンカーバイドなどの超硬合金からなる上金型および下金型で、この上金型１１および下金型１２は光学素子の上下の面形状を転写するための成形面１１ａ，１２ａを備えている。１３は上金型１１と下金型１２を同軸上に規制する中空円筒状の胴型で、この胴型１３と前記上金型１１および下金型１２とで一組の成形金型１４を構成している。１５は光学ガラス材料よりなる光学素材で、この光学素材１５は予め球形状に研磨加工しており、そして前記上金型１１と下金型１２と胴型１３とで形成される空間１４ａに供給された後に加熱加圧成形される。１６は加熱手段を有する支持部で、この支持部１６は前記上金型１１を加熱するとともに支持するものである。１７は加熱手段を有するプレスヘッドで、このプレスヘッド１７は前記下金型１２を加熱するとともに加圧力を下金型１２に加えるものである。１８はプレスヘッド１７に加圧力を加える加圧シャフト、１９は加圧シャフト１８に加圧力を加える加圧シリンダである。２０は加圧限界制御手段で、この加圧限界制御手段２０は前記加圧シャフト１８に設けた係合部１８ａを係合させることによって加圧シャフト１８の加圧の限界位置を制御するものである。

本発明の一実施の形態における光学素子の成形方法は、まず、図１（ａ）に示すように、胴型１３に下方向から挿入された下金型１２の成形面１２ａの上に光学素材１５を載置し、そして上金型１１の成形面１１ａを光学素材１５の上面から所定の距離を隔てた位置まで接近させる。この状態は図３における時刻Ｔ０の初期状態で、一組の成形金型１４は温度Ｚ１に保持されており、上金型１１と下金型１２との間に加えられた加圧力Ｐ０は０であり、そして上金型１１と下金型１２との間の上下金型間距離はＸ０である。

次に、図３に示すように、光学素材１５および成形金型１４が時刻Ｔ１時に成形温度である温度Ｚ２に達するように昇温させ、そして時刻Ｔ２まで温度Ｚ２で保持する。この時刻Ｔ０から時刻Ｔ２までが昇温ステージである。

次に、時刻Ｔ２において加圧シリンダ１９により上金型１１と下金型１２との間に圧力Ｐ１を加え、光学素材１５の成形を行う成形ステージを行う。この加圧を行う際には、加圧シャフト１８の動作に対して加圧限界位置を規制する加圧限界制御手段２０を用いて、加圧限界位置を一定の速度α（μｍ／ｓ）で加圧方向に移動させる。

このとき、上下金型間距離はＸ０から一定の速度α（μｍ／ｓ）で接近を開始し、そして上下金型間距離がＸ１の位置で上金型１１の成型面１１ａが光学素材１５に接触する。この状態を図１（ｂ）に示す。

そしてこのＸ１の位置を経由した後、上下金型間距離は光学素材１５の変形を伴いながらさらに一定の速度α（μｍ／ｓ）で接近する。このときの加圧シリンダ１９の加圧力Ｐ１は加圧限界位置に達した後に加圧限界制御手段２０に加えられるものであって、光学素材１５に加えられる圧力は変形速度がα（μｍ／ｓ）を超えないように制御されている。この成形ステージにおいて、光学素材１５はプレスされて、図２（ａ）に示すように光学素子２１が形作られる。

次に、時刻Ｔ３において、加圧シリンダ１９の加圧力をＰ２に切り替えるとともに、成形金型１４および光学素材１５を冷却する冷却ステージを開始する。この冷却ステージにおいては、成形金型１４および光学素材１５の温度をＺ２からＺ１まで冷却するとともに、時刻Ｔ４において加圧シリンダ１９の加圧力をＰ２からＰ３へと切り替えて加圧を行う。

上記した冷却ステージにおいても、加圧限界制御手段２０を用いて、一定の速度α（μｍ／ｓ）で加圧を行う。そして光学素材１５の粘度が高まり、その変形速度がα（μｍ／ｓ）以下になると、加圧限界制御手段２０から加圧シャフト１８が解離するため、加圧シリンダ１９の加圧力は下金型１２を経由して光学素子２１に加えられる。

上記冷却が進むに伴い、光学素子２１は収縮し、そしてこの収縮によって上下金型間距離はさらに縮まり、光学素子２１の目標寸法であるＸ３に達する。

この冷却ステージの後、図２（ｂ）に示すように、上金型１１と下金型１２を開放し、その後、光学素子２１を取り出す（図示せず）。

上記したように本発明の一実施の形態における光学素子の成形方法においては、加圧シリンダ１９の加圧に対する限界位置を規制する加圧限界制御手段２０を設け、この加圧限界制御手段２０を加熱温度と時間によって制御することにより光学素材１５の変形速度を制御するようにしているため、成形ステージにおいて光学素材１５が軟化して粘度が低くなり、極めて低い加圧力、つまり弱い加圧力で変形が可能な状態にあっても、一定の変形速度α（μｍ／ｓ）で成形することができるものである。

このように、光学素材１５を一定の変形速度α（μｍ／ｓ）以下で成形することにより、光学素材１５を急激に変形させないようにしているため、光学素子２１に対する歪の蓄積を少なくすることができ、これにより、プレス成形後の冷却時におけるこの歪の蓄積による光学素子２１のひび割れを未然に防止することが可能となるものである。

なお、上記加圧限界制御手段２０による変形速度の制御としては、２０〜３０μｍ／ｓ程度が良好であった。

また、温度の変化に対して粘度が大きく変化し、プレス成形および冷却時にひび割れ易い光学ガラスとしては、弗素を４ｗｔ％以上含有し、燐酸クラウンガラス、重燐酸クラウンガラス、弗珪クラウンガラス等に分類されるアッベ数６２以上の光学ガラスが挙げられる。これらの光学ガラスの成形温度近辺における温度変化に伴う粘度の変化は、粘度ηポアズの対数ｌｏｇ（η）と温度Ｔ℃との比の絶対値｜ｌｏｇ（η）／Ｔ｜が、０．０６５以上であり、プレス成形の難易度が高く、専ら研磨による作製が行われていた。これに対して、従来プレス成形に用いられてきたランタンクラウンガラスやバリウムクラウンガラスの｜ｌｏｇ（η）／Ｔ｜は、０．０５０〜０．０６０であり、成形時のひび割れは少なかった。

本発明の光学素子の成形方法は、上記したような弗素を４ｗｔ％以上含有し、かつアッベ数６２以上の光学ガラスを成形する際に特に効果があるものである。

なお、上記した本発明の一実施の形態における光学素子の成形方法においては、成形ステージにおける温度はＺ２、加圧シリンダ１９の加圧力はＰ１という具合に一定であったが、複数段の温度プログラムまたは圧力プログラムを組んでもよく、かつ成形ステージに温度勾配や圧力勾配を持たせた成形条件であってもよい。また、冷却ステージを複数段の温度勾配や圧力設定を持たせた成形条件であってもよい。

本発明に係る光学素子の成形方法は、上金型と下金型と胴型とで形成される空間に光学素材を供給した後、この光学素材を加熱加圧成形する光学素子の成形方法において、前記光学素材を加熱加圧成形する際に光学素材の変形速度を所定の値以下に制御することにより、成形工程におけるプレス成形後の冷却時に光学素材の割れが発生するのを未然に防止することができるという効果が得られるようにしたものであり、特に光学素子の製造に用いることにより有用となるものである。

（ａ）（ｂ）本発明の一実施の形態における光学素子の成形方法を示す成形工程図 （ａ）（ｂ）同光学素子の成形方法を示す成形工程図 同光学素子の成形方法を示す成形条件チャート （ａ）（ｂ）従来の光学素子の成形方法を示す成形工程図 （ａ）（ｂ）同光学素子の成形方法を示す成形工程図 同光学素子の成形方法を示す成形条件チャート 同光学素子の問題点を示す図

符号の説明

１１ 上金型
１２ 下金型
１３ 胴型
１４ 成形金型
１４ａ 空間
１５ 光学素材
２０ 加圧限界制御手段
２１ 光学素子

Claims (2)

1. 上金型と下金型と胴型とで形成される空間に光学素材を供給した後、この光学素材を加熱加圧成形する光学素子の成形方法において、前記光学素材を加熱加圧成形する際に光学素材の変形速度を所定の値以下に制御するようにした光学素子の成形方法。
2. 上金型または下金型の加圧に対する限界位置を規制する加圧限界を設け、この加圧限界の位置を加熱温度と時間によって制御することにより光学素材の変形速度を制御するようにした請求項１記載の光学素子の成形方法。

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