JP2009062225A - ガラス光学素子およびガラス光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】枠体付きレンズのクラック、破損による不良率を低減させることができるガラス光学素子等を提供する。
【解決手段】環状の枠体１１と、枠体１１内にてガラス素子母材を加熱軟化させモールド成形されるガラス素子１５と、枠体１１の内周に接して設けられガラス素子１５の硬度に比べて硬度が低いバッファ層１２とを備えるガラス光学素子であり、枠体１１は、ガラス素子１５よりも熱膨張係数が同等か大きく、バッファ層１２は、例えば、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｍｇ、Ａｕからなる群から少なくとも一種を含有する金属または合金である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス光学素子等に係り、特に、モールド成形により製造される枠体付きレンズからなるガラス光学素子等に関する。

近年、例えばデジタルカメラや携帯電話機、医療用機器、光通信機器、ＤＶＤのピックアップヘッドなど、光学素子を用いた各種デバイスにて、その小型化が急速に進んでいる。これらのデバイスに用いられる光学素子としては、高屈折率、低複屈折、低色収差および耐高温性の観点から、ガラスレンズが広く用いられている。また、このガラスレンズの表面を非球面とすることで、単一のレンズで収差を無くすこともでき、デバイスの軽量化が可能である。

この非球面ガラスレンズの製造方法には、従来の研磨方法では加工精度および量産性に劣ることから、ガラスモールド方法が用いられる。このガラスモールド方法は、プリフォーム（ガラス光学素子）を加熱軟化させ、所望の精度に仕上げられた非球面成形表面を有する金型でプレスすることで、金型の形状をプリフォームに転写する成形法である。円形レンズの成形では、光軸を中心に合わせ込むことができないことから、必要外径より若干大き目に成形し、成形後、周辺部を除去することにより芯出しを行っている。但し、この芯出しは、プロセスが増え作業性が悪くコストが高くなる。

公報記載の従来技術では、芯出し作業を不要とするモールド方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。ここでは、ガラス材やセラミック材などの環状の成形用枠体を配し、成形型による押圧成形によってガラス素子と成形用枠体とを結合し、成形終了後に成形用枠体をガラス素子から離脱させる技術が示されている。

また、他の公報記載の従来技術として、円環状の金属ホルダを、その中心線が金型によるプレス方向と概略平行になるように金型間のガラスの周囲に配置し、プレスにより押し出されたガラスが金属ホルダの内周に密着するようにしたものが存在する（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０００−７３５５号公報 特開平３−１６７５１４号公報

このように、例えば金属ホルダを用いたモールド方法は、成形後に金属ホルダとレンズとが一体化することから、芯出し作業が不要となる点で優れている。また、金属ホルダを用いたモールド方法では、一般に金属ホルダの線膨張係数はガラス材の線膨張係数よりも大きいことから、成形後に金属ホルダの収縮量がレンズよりも大きくなり、金属ホルダを内側に収縮させることでレンズの保持力を高めることも期待できる。

しかしながら、線膨張係数の差が大きすぎるとレンズに応力が残留することになり、レンズクラックや、光弾性効果による屈折率の不均一性を生じる可能性がある。
また、例えば金属ホルダの材料としてＦｅ−Ｎｉを用い、Ｎｉ含有量により線膨張係数をガラス材の同係数と同等にするか、金属ホルダと同等の係数を持つガラスを選択することで、残量応力を小さくすることも提案されている。しかし、かかる技術を採用した場合には、調整範囲が狭くなり、使用できるガラス材が限定されてしまう。また、ガラス材が特定のものに指定された場合には、線膨張係数を同等にすることが困難となる。更に、かかる技術では、枠体を特殊な形状に加工しなければ、十分な密着性が得られない。

本発明は、上記課題に鑑み、枠体付きレンズのクラック、破損による不良率を低減させることを目的とする。
また他の目的は、破損による不良率を低減させた場合であっても、レンズと枠体とを強固に接着することにある。

かかる目的のもと、本発明のガラス光学素子は、環状の枠体と、枠体内にてガラス素子母材を加熱軟化させモールド成形されるガラス素子と、枠体の内周に接して設けられ、ガラス素子の硬度に比べて硬度が低いバッファ層とを備えたことを特徴とする。
ここで、バッファ層は、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｍｇ、Ａｕからなる群から少なくとも一種を含有する金属または合金であることが好ましい。
また、枠体は、ガラス素子よりも熱膨張係数が同等か大きいことが好ましく、枠体は、ガラス素子がモールド成形される箇所にて面粗さＲｍａｘが１μｍ〜１０μｍの領域を有することが更に好ましい。

また、本発明のガラス光学素子の製造方法は、環状の枠体と枠体の内部にガラス素子が備えられるガラス光学素子の製造方法であって、ガラスモールド用の上型と下型との付き合わせ面の周囲に、ガラス素子と枠体との熱膨張係数の差から生じる応力を緩和するためのバッファ層が内周に接して備えられた枠体を配置し、上型と下型との間にガラス素子母材を配置し、ガラス素子母材を加熱軟化させ、上型と下型とによりプレスし、ガラス素子の縁をバッファ層を介して枠体に融着させることを特徴とする。

本発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、枠体付きレンズのクラック、破損による不良率を低減させることが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本実施の形態が適用されるガラス光学素子１０の全体構成を示した斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。このガラス光学素子１０は、環状に形成される枠体１１と、この枠体１１の内側にて、枠体１１の内周に接して設けられるバッファ層１２とを備えている。そして、バッファ層１２の内側には、ガラス素子母材を加熱軟化させモールド成形されるガラス素子（レンズ）１５を備えている。

枠体１１は、ガラス素子１５の材料より線膨張係数が同等か大きい材料であるのが好ましい。例えば、ステンレスやコバール等が挙げられる。枠体１１の線膨張係数がガラス素子１５の線膨張係数に比べて大きいと、モールド成形によりガラス光学素子１０を製造する工程中で、冷却時に枠体１１がガラス素子１５よりも大きく収縮する。その結果、枠体１１がバッファ層１２を通してガラス素子１５を締め付け、枠体１１とガラス素子１５との保持力（取付け強度）を高めることができる。

枠体１１の内周面は、ガラス素子１５がモールド成形される箇所で面粗さＲｍａｘが１μｍ〜１０μｍの範囲内であることが好ましい。この範囲から外れると枠体１１とガラス素子１５との密着性が悪くなるおそれがある。面粗さＲｍａｘは、枠体１１の初期粗さ、またはバッファ層１２の作製方法によって調整することができる。

バッファ層１２は、ガラス材料と枠体１１の熱膨張係数の差から生じる応力を緩和し、さらに密着性を改善するためのものである。即ち、冷却時に発生するガラス素子１５への枠体１１の締め付けを、バッファ層１２が変形することにより緩和できる。また、ガラス素子１５の一部がバッファ層１２に埋め込まれる形となり、ガラス素子１５と枠体１１の密着性を向上できる。

ガラス素子１５は、例えば、シリカを主成分とし、例えば、アルミナ、ナトリウム、フッ化ランタン等が添加された低融点ガラスにより構成される。ガラス素子１５は、例えば、軟化温度が約６００℃以下の低融点ガラスで構成されても、軟化温度が約４００℃以下の超低融点ガラスで構成されてもよい。

次に、バッファ層１２について、更に詳しく説明する。
図３は、ガラス素子１５を形成する前のバッファ層１２が設けられた枠体１１を示した概略図である。
バッファ層１２は、前述の通り枠体１１の内周に接して設けられる。材料としては、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｍｇ、Ａｕからなる群から少なくとも一種を含有する金属または合金であるのが好ましい。このような金属または合金は、ガラス素子１５（図１参照）より柔らかく硬度が低い。よって容易に塑性変形を生じさせることが可能である。

なお、ここで”硬度が低い”とは、ガラス素子１５とバッファ層１２との硬さの差が、ガラス光学素子１０の製造の際の冷却時に、ガラス素子１５によりバッファ層１２が塑性変形を生じる程度であればよいことを意味する。
この硬度は、例えば、株式会社ミツトヨ製のマイクロビッカース硬度計により測定することができ、この硬度計による硬度の差がＨｖ２００以上、好ましくはＨｖ３００以上であることがよい。
バッファ層１２の厚さは、ガラス光学素子１０の光学的な性能に影響を及ぼさない範囲で厚い方が好ましく、１００μｍ以上、好ましくは、３００μｍ以上であるのがよい。これより薄いと、枠体１１のガラス素子１５への締め付けの応力を緩和し、密着性を向上するという効果が得にくくなるおそれがある。
また、バッファ層１２を構成する金属、合金はその融点がガラス素子１５を成形する際の温度より高いことが好ましい。このように構成すれば、金属、合金の成分ガラス中に拡散することを抑制でき、光学素子としての性能が低下することを抑制することができる。

バッファ層１２を枠体１１の内周に形成するには、溶融メッキ、溶射など既存の方法が使用できる。

次に、ガラス光学素子１０を製造する装置およびガラス光学素子１０の製造方法について説明する。
図４は、ガラス光学素子１０をモールド成形により製造するガラス素子成形装置１００を示す構成図である。
ガラス素子成形装置１００は、ガラス素子１５をモールド成形する下金型（下型）１１０及び上金型（上型）１１２と、下金型１１０及び上金型１１２を所定の温度に維持する下均熱プレート１１４及び上均熱プレート１１６と、下金型１１０及び上金型１１２を昇温する下加熱ヒーター１１８及び上加熱ヒーター１２０とを有して構成される。また、ガラス素子成形装置１００は、上金型１１２を可動させる加圧シリンダー１２４と、ガラスレンズの成形環境を制御する窒素導入口１２６及び窒素排気口１２８と、下金型１１０及び上金型１１２等を収容するガラスレンズ成形器１３０と、上金型１１２の動作を規制するスリーブ１３２とを有して構成される。

下金型１１０と上金型１１２とが、載置され軟化されたガラス素子母材１５ａをモールドプレス法により成形してガラス素子１５とし、ガラス光学素子１０を製作する。下金型１１０、上金型１１２は、ＷＣ、ＳｉＣなどの耐熱性に優れた材料から構成される。また、下金型１１０、上金型１１２とガラス素子母材１５ａとが接触する面には、離型性を確保するために、白金、イリジウム、パラジウム等の貴金属またはその合金や、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）などからなる離型膜１１１、１１３がそれぞれ成膜されている。

下均熱プレート１１４と上均熱プレート１１６は、それぞれ下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０に搭載される。下均熱プレート１１４と上均熱プレート１１６は、サーマルバッファ（熱的緩衝体）の役割を果たし、下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０から受ける熱を、ガラスレンズの製作に支障がない程度に均一な状態にして下金型１１０と上金型１１２とに伝える。図示しない制御手段は、下金型１１０の表面と上金型１１２の表面とがモールド成形に適した温度になるように、下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０とを制御する。

加圧シリンダー１２４は、上加熱ヒーター１２０及び上均熱プレート１１６に固定された上金型１１２を上下動させる駆動系である。図示しない制御手段により動作が制御される。
また、窒素導入口１２６及び窒素排気口１２８は、成形時の金型の雰囲気を窒素として、高温下での酸化を防止している。

以上の構成を有するガラス素子成形装置１００がガラス素子母材１５ａをモールド成形してガラス素子１５とし、ガラス光学素子１０を製造する製造工程を以下に説明する。
まず、図３に示したバッファ層１２が内周に形成された枠体１１をガラス素子成形装置１００の下金型１１０と上金型１１２との付き合わせ面の周囲に配置する。そして、離型膜１１１が形成された下金型１１０と離型膜１１３が形成された上金型１１２との間にガラス素子母材１５ａを投入し、ガラス素子母材１５ａをガラス素子成形装置１００に配置する。

次に、図示しない排気ポンプ及び処理ガス導入ポンプを使って、窒素導入口１２６から窒素を導入し、ガラス素子成形装置１００内部の空気を窒素ガスに置換する。そして、下加熱ヒーター１１８及び上加熱ヒーター１２０を昇温し、窒素雰囲気下でガラス素子母材１５ａの転移点（転移温度）Ｔｇまでガラス素子母材１５ａを充分に加熱し、更に、屈伏点（屈伏温度）Ａｔまで昇温してガラス素子母材１５ａを軟化させる。
そして、屈伏温度Ａｔ付近になったとき、加圧シリンダー１２４により上金型１１２を可動させ、下金型１１０と上金型１１２とによりプレスしてガラス素子母材１５ａをモールド成形する。

図５は、モールド成形時のガラス素子母材１５ａの状態を示した図である。
ガラス素子母材１５ａは、プレスの際に下金型１１０及び上金型１１２により加えられる圧力により外側に広がり、離型膜１１１、１１３を介し、下金型１１０と上金型１１２との間にできる空隙に収容される。この際に、ガラス素子母材１５ａの外周部分は、枠体１１の内周に形成されたバッファ層１２に接触するまで広がる。
その後、圧力を加えたままガラス素子成形装置１００を転移温度Ｔｇまで冷却し、更に上金型１１２の圧力を開放し、例えば常温まで冷却して、ガラス光学素子１０を取り出す。

冷却の際、枠体１１は収縮する。この収縮の際、枠体１１の線膨張係数がガラス素子母材１５ａの線膨張係数より大きければ、枠体１１がガラス素子母材１５ａを締め付け、密着する。ただし、線膨張係数の差が大きすぎれば、レンズに応力がかかりレンズクラック等の破損が生じやすくなる。ここで、バッファ層１２を用いた場合、バッファ層１２はガラス素子１５の硬度に比べて硬度が低いことから、バッファ層１２が変形することにより、枠体１１とガラス素子母材１５ａとの間に生じる応力を緩和できる。この作用により、ガラス素子１５のクラックや破損を防止することができる。更にガラス素子母材１５ａの外周部（縁）がバッファ層１２に埋め込まれ融着する形となり、ガラス素子１５を強固に接着することができる。

（実施例１）
ガラス素子母材１５ａとして硼珪酸光学ガラスＶＣ８０（株式会社住田光学ガラス製）を使用した。この硼珪酸光学ガラスＶＣ８０は、Ｔｇ（転移点）＝５３０℃、Ａｔ（屈服点）＝５６６℃、α（線膨張係数；１００−３００℃）９４×１０^−７／Ｋの特性を有する。
枠体１１としては、材質がＳＵＳ３０４（線膨張係数（１００−３００℃）；１７．３×１０^−６／Ｋ)であり、内径１５．３ｍｍ、外径１７ｍｍのサイズのものを使用した。
まず、バッファ層１２として、溶融メッキにより、Ａｌ層を厚さ３００μｍ、Ｒｍａｘ５μｍで枠体１１の内側に作製した。
成形装置としては、図４に示したガラス素子成形装置１００を用いた。
まず、窒素雰囲気中で下金型１１０及び上金型１１２を６００℃に加熱し、ガラス素子母材１５ａを投入し、ガラス素子母材１５ａを軟化させるため均熱時間を６０秒間設けた。その後加圧シリンダー１２４により上金型１１２を可動させ、２．９４×１０^６Ｐａ（３０ｋｇｆ／ｃｍ^２）のプレス圧で６０秒間保持した。そして、９．８×１０^５Ｐａ（１０ｋｇｆ／ｃｍ^２）で保圧したまま５４０℃まで冷却した。それ以後は金型を離型させて冷却を行い、２００℃になったときに作製されたガラス光学素子１０を取り出した。

（実施例２）
ガラス素子母材１５ａと枠体１１として実施例１と同様のものを使用した。
バッファ層１２として、溶融メッキにより、Ａｌ−Ｚｎ層（Ａｌ；７０％、Ｚｎ；３０％）を厚さ３００μｍ、Ｒｍａｘ５μｍで枠体１１の内側に作製した。
成形装置としては、図４に示したガラス素子成形装置１００を用い、実施例１と同様の条件でガラス光学素子１０を作製した。

（比較例）
ガラス素子母材１５ａは、実施例１と同様のものを使用した。
枠体１１としては、材質がＳＵＳ３０４（線膨張係数（１００−３００℃）；１７．３×１０^−６／Ｋ)であり、内径１５．３ｍｍ、外径１７ｍｍのサイズのものを使用した。
バッファ層１２は、設けなかった。
成形装置としては、図４に示したガラス素子成形装置１００を用い、実施例１と同様にガラス光学素子を作製した。

以上の成形工程を実施例１〜２、比較例のそれぞれの条件で、各合計１０００回繰り返し、連続成形試験を行った。
そして、以上のようにして得られた各実施例および比較例のガラス光学素子１０を顕微鏡を使用して外観検査を行い、クラック発生率の調査を行った。その結果を表１に示す。

表１に示した結果から判るように、実施例１〜２で得られたガラス光学素子１０は、比較例で得られたガラス光学素子よりクラック率が低く、良好な結果を得た。

本実施の形態が適用されるガラス光学素子の全体構成を示した斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 ガラス素子を形成する前のバッファ層が設けられた枠体を示した概略図である。 ガラス光学素子をモールド成形により製造するガラス素子成形装置を示す構成図である。 モールド成形時のガラス素子母材の状態を示した図である。

符号の説明

１０…ガラス光学素子、１１…枠体、１２…バッファ層、１５…ガラス素子、１５ａ…ガラス素子母材、１００…ガラス素子成形装置、１１０…下金型、１１２…上金型

Claims (5)

1. 環状の枠体と、
   前記枠体内にてガラス素子母材を加熱軟化させモールド成形されるガラス素子と、
   前記枠体の内周に接して設けられ、前記ガラス素子の硬度に比べて硬度が低いバッファ層と
   を備えたことを特徴とするガラス光学素子。
2. 前記バッファ層は、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｍｇ、Ａｕからなる群から少なくとも一種を含有する金属または合金であること
   を特徴とする請求項１に記載のガラス光学素子。
3. 前記枠体は、前記ガラス素子よりも熱膨張係数が同等か大きいこと
   を特徴とする請求項１または２に記載のガラス光学素子。
4. 前記枠体は、前記ガラス素子がモールド成形される箇所にて面粗さＲｍａｘが１μｍ〜１０μｍの領域を有すること
   を特徴とする請求項１に記載のガラス光学素子。
5. 環状の枠体と当該枠体の内部にガラス素子が備えられるガラス光学素子の製造方法であって、
   ガラスモールド用の上型と下型との付き合わせ面の周囲に、前記ガラス素子と前記枠体との熱膨張係数の差から生じる応力を緩和するためのバッファ層が内周に接して備えられた当該枠体を配置し、
   前記上型と前記下型との間にガラス素子母材を配置し、
   前記ガラス素子母材を加熱軟化させ、前記上型と前記下型とによりプレスし、前記ガラス素子の縁を前記バッファ層を介して前記枠体に融着させる
   ことを特徴とするガラス光学素子の製造方法。

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