JP2011116632A - 光学素子の成形方法及び成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、光学素子の面形状の不具合を抑制する光学素子の成形方法及び成形装置を提供する。
【解決手段】ガラス素材８０をプレス成形できる上型、下型及び胴型からなる成形型２と、成形型２を加熱してガラス素材８０を軟化させる加熱プレート３ａ及び３ｂと、軟化したガラス素材を成形型２によりプレスして光学素子形状を付与するプレスプレート４ａ及び４ｂと、成形型２及び光学素子形状を付与されたガラス素材を冷却する冷却プレート５ａ及び５ｂと、を有し、プレスプレート４ａ及び４ｂ間には、ガラス素材をプレスする際に、胴型２３ａに加えて、上型２１及び下型２２の上下方向の距離を調整するためのスペーサープレート６が設けられ、さらに、冷却プレート５ａ及び５ｂには、それらの温度とガラス素材への圧力を制御する温度及び圧力制御手段７を有する光学素子の成形装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子の成形方法及び成形装置に係り、特に、ガラス素材をプレス成形した後、冷却時にもガラス素材に圧力をかけておくことで、光学素子の面形状不良の発生を抑制する光学素子の成形方法及び成形装置に関する。

現在、ガラスレンズなどの光学素子を製造する方法として、光学素子成形素材であるガラス素材をプレス成形し、成形面を研磨等せずにそのまま使用できるプレス成形方法がよく用いられている。

このプレス成形方法は、ガラス素材を加熱して軟化させてから、成形型により加圧プレスした後、冷却して所定形状の光学素子とするが、このような光学素子には高度な形状精度が求められる。特に、厚み寸法が目的の厚みとなるように、プレス時に上型及び下型間の距離が所定の距離となるように厳密に装置が構成されている。

例えば、図６には、従来のプレス成形方法の操作を示したが、ここで用いる光学素子の成形装置５０１は、ガラス素材８０をプレス成形できる上型、下型及び胴型からなる成形型５０２と、成形型５０２を加熱してガラス素材８０を軟化させる加熱手段である加熱プレート５０３ａ及び５０３ｂと、軟化したガラス素材を成形型５０２によりプレスして光学素子形状を付与するプレス手段であるプレスプレート５０４ａ及び５０４ｂと、成形型５０２及び光学素子形状を付与されたガラス素材を冷却する冷却手段である冷却プレート５０５ａ及び５０５ｂと、を有する。

このとき、成形型５０２は、上型５２１、下型５２２及び胴型５２３からなる。胴型５２３は、プレス時に、上型５２１及び下型５２２間の距離を規制する外胴５２３ａと、上型５２１及び下型５２２の光軸を同軸上に規制する内胴５２３ｂとからなり、この外胴５２３ａ及び内胴５２３ｂは、それぞれ中空円筒状である。

図６に示したように、まず、加熱プレート５０３ａ及び５０３ｂにより成形型５０２及びガラス素材８０を加熱し（加熱ステージ）、次いで、加熱により軟化状態となったガラス素材８０をプレスプレート５０４ａ及び５０４ｂの間隔を狭めることで上型５２１及び下型５２２間の距離を狭めてプレスする。このとき、この上型５２１及び下型５２２間の最小間隔は、外胴５２３ａによって一定距離に規制され、成形される光学素子は所定の圧力下で一定の厚みとされる（図６−プレスステージ（ａ））。

ところで、このプレス成形時に、プレスプレート５０４ａ及び５０４ｂの温度は、例えば、５００℃以上の高温に加熱されているが、このような高温のプレスプレートと胴型とが接触することで、外胴５２３ａの温度が上昇して膨張し、プレスプレート５０４ａ及び５０４ｂ間の距離を広げてしまう場合があった。その結果、プレスプレート５０４ａと上型５２１との間に空間が生じてしまい、ガラス素材に必要な圧力がかけられない場合があった（図６−プレスステージ（ｂ））。このように圧力がかけられないまま、ガラス素材を冷却固化させると（図６−冷却ステージ）、得られた光学素子の面形状に不具合が生じる原因となり、製品の歩留まりが低下する場合があった。

このような問題を解消するものとして、例えば、プレス位置である目標位置を予め算出しておき、プレスする際には、その成形型のプレス位置を検出しつつ、その検出位置が目標位置となるまでプレス荷重を加えていく成形方法（特許文献１参照）や、上型とガラス素材とが接触する位置を検出し、この接触位置から上型又は下型の移動量に基づいてプレス成形する成形方法（特許文献２参照）が知られている。

特開２００６−１７６３５６号公報 特開２００８−１７９４８８号公報

しかしながら、これらの方法は、胴型による距離規制ではなく、成形型のプレス位置や移動量が所定の数値となるようにセンサ等を用いて行うため、装置構成が複雑で、位置調整も難しくなるという問題があった。

また、これらのプレス方法は、成形型を加熱、プレス、冷却等の複数のステージに順次移動させながら各ステージにおいて所定の処理を行い、通常、各ステージではそれぞれ一定の温度に維持されたプレートにより成形型を加熱、冷却等するように構成されている。そのため、１以上のポジションで温度を上げ下げすることになり、ステージ間でのプレートの温度差が大きいと、ガラス素材が急激に冷却されるため、成形された光学素子の面形状が安定しない、という問題があった。また、型の冷却速度が装置の冷却能力に依存するため、冷却水の温度ばらつきなどによって冷却速度が一定せず、面形状がばらつくことがあった。

そこで、本発明は、上記の問題を解消するために、成形型の上下位置を胴型で簡便に規制でき、かつ、ガラス素材をプレス成形した後、冷却固化させる際に、ガラス素材に圧力をかけられ、さらに、ガラス素材の冷却を穏やかに行うことで面形状の不具合が生じない光学素子の成形方法及び成形装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、本発明の光学素子の成形方法及び成形装置により、上記問題を解決できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の光学素子の成形方法は、上型、下型及び胴型からなる成形型にガラス素材を収容し、その成形型を加熱してガラス素材を軟化させる加熱工程と、軟化したガラス素材を、プレスプレートを用いて成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、成形型を冷却し、光学素子形状を付与したガラス素材を固化させる冷却工程と、からなる光学素子の成形方法であって、プレス工程において、プレスプレートと胴型間にスペーサープレートを介在させてプレスした後、冷却工程において、プレス成形されたガラス素材が固化するまでガラス素材の加圧を継続することを特徴とする。冷却工程での押込み量は１〜３０μｍを想定している。

また、本発明の光学素子の成形装置は、ガラス素材を収容してプレス成形できる上型、下型及び胴型からなる成形型と、成形型を加熱してガラス素材を軟化させる加熱手段と、軟化したガラス素材を、成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス手段と、成形型を冷却し、光学素子形状を付与したガラス素材を固化させる冷却手段と、を有する光学素子の成形装置であって、プレス手段によってガラス素材をプレスする際に、プレス手段と胴型間に介在させて上型及び下型間の距離を調整するスペーサープレートと、冷却手段の温度及び冷却手段によりガラス素材にかける圧力を制御できる温度及び圧力制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明の光学素子の成形方法及び成形装置によれば、成形型の上下位置を胴型で簡便に規制でき、かつ、ガラス素材をプレス成形した後、冷却固化させる際に、ガラス素材への加圧状態を継続していくことで、光学素子の面形状の不具合を抑制できる。また、ガラス素子の冷却における加圧を段階的に行うことや、冷却を穏やかで再現性の良い条件で行なうことによって、さらに、面形状の不具合の発生を抑制できる。

本発明の一実施形態である光学素子の成形装置の概略構成図である。 本発明の光学素子の成形方法における成形工程の操作と処理条件を示した図である。 本発明の光学素子の成形装置における、他の成形型の構成断面図である。 実施例２における成形工程の操作と処理条件を示した図である。 実施例３における成形工程の操作と処理条件を示した図である。 従来の光学素子の成形装置を用いた成形工程の操作を示した図である。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。ここで、図１は本発明の一実施形態である光学素子の成形装置の概略構成図であり、図２は、図１の光学素子の成形装置を用いた成形方法の各工程の操作及び処理条件を示した図である。

まず、図１に示した光学素子の成形装置１は、ガラス素材８０をプレス成形できる上型、下型及び胴型からなる成形型２と、成形型２を加熱してガラス素材８０を軟化させる加熱手段である加熱プレート３ａ及び３ｂと、軟化したガラス素材を成形型２により加圧して光学素子形状を付与させるプレス手段であるプレスプレート４ａ及び４ｂと、成形型２を冷却して光学素子形状が付与されたガラス素材を固化させる冷却手段である冷却プレート５ａ及び５ｂと、を有し、成形型を加熱手段、プレス手段及び冷却手段へ順次移動させる型移動方式の光学素子の成形装置であって、プレスプレート４ａ及び４ｂ間には、このプレスプレートによってガラス素材をプレスする際に、プレスプレートと胴型間に介在させて上型２１及び下型２２間の距離を調整するスペーサープレート６が設けられ、さらに、冷却プレート５ａ及び５ｂには、冷却処理時に、冷却プレート５ａ及び５ｂの温度及びその冷却プレート５ａ及び５ｂによりガラス素材にかける圧力を制御できる温度及び圧力制御手段７を有する。

また、加熱プレート３ａ及び３ｂ、プレスプレート４ａ及び４ｂ、冷却プレート５ａ及び５ｂは、それぞれ所定の処理が行われる場（ステージ）を形成するが、各ステージによる処理を順次円滑にできるように、成形型２は、搬送手段（図示せず）により所定のタイミングで各ステージを移動する。すなわち、この光学素子の成形装置は、１以上のポジションで温度の上げ下げする型移動方式の成形装置である。

ここで、成形型２は、上型２１、下型２２及び胴型２３とからなる成形型である。また、胴型２３は、プレス時に、上型２１及び下型２２間の距離を規制する外胴２３ａと、上型２１及び下型２２の光軸を同軸上に規制する内胴２３ｂとからなり、この外胴２３ａ及び内胴２３ｂは、それぞれ中空円筒状の形状である。

また、成形型２は、超硬合金やセラミックス等の素材からなり、上型２１及び下型２２には、成形する光学素子の面形状を転写するための成形面をそれぞれ有している。この図１では、成形型として凹メニスカス形状の光学素子を製造するものを図示したが、光学素子形状はこれに限定されるものではなく、両凸、両凹、平凸、平凹、凸メニスカス形状のいずれの形状を成形する成形型であってもよい。

本発明の加熱プレート３ａ及び３ｂは、ガラス素材８０を軟化させるために、その内部にヒータが埋め込まれたプレートからなる。この加熱プレート３ａ及び３ｂは、それぞれ上型２１、下型２２に接触させて、上型２１及び下型２２を加熱でき、さらに成形型内部に収容されているガラス素材８０も加熱できる。加熱プレート３ａ及び３ｂの温度が後述するプレスプレート４ａ及び４ｂの温度設定よりも低いとプレスの際に加熱しながらプレスすることになりプレスに時間がかかりタクトが長くなり、プレスの際にレンズに傷が発生しやすくなるので好ましくない。逆に加熱プレート３ａ及び３ｂの温度が後述するプレスプレート４ａ及び４ｂの温度設定よりも高いと加熱の際に金型とガラスが接触する部分に曇りが発生する可能性が高くなり好ましくない。加熱プレート３ａの温度はプレスプレート４ａと、加熱プレート３ｂの温度はプレスプレート４ｂの温度設定と同じとすることがより好ましい。

本発明のプレスプレート４ａ及び４ｂは、それらプレート間の距離を狭め成形型２の上型２１と下型２２との距離を狭められ、成形型２内に収容されたガラス素材８０を軟化状態のまま押圧して変形させ、上型２１及び下型２２の光学形成面形状をガラス素材８０に付与し光学素子の成形を行う。また、このプレス手段を用いたプレスは前段階の加熱温度を維持しながら行われるため、このプレスプレート４ａ及び４ｂの内部にもヒータが埋め込まれている。

そして、このプレスプレート４ａ及び４ｂの間には、スペーサープレート６が設けられている。ガラス素材をプレスする際に、従来は、成形型２の外胴２３ａの高さによりプレスプレート４ａ及び４ｂ間の距離を規制することで、上型２１及び下型２２の距離を調整していたが、本発明は、その外胴２３ａに加えて上型２１及び下型２２の距離を調整するスペーサープレート６を用いる。

このスペーサープレート６は、プレス工程時の圧力、加熱温度に耐えられる素材からなる必要があり、さらに、耐酸化性、加工性に優れていることが好ましい。このような素材として、例えば、超硬合金、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、タングステンを主原料とした焼結合金（例えば、三菱マテリアルシーエムアイ株式会社製、商品名：アンビロイ（登録商標））等が挙げられる。

また、本発明の冷却プレート５ａ及び５ｂは、成形型２を冷却して光学素子形状を付与されたガラス素材を冷却、固化する。ガラス素材の固化は、ガラス転移点以下、より好ましくは歪点以下に冷却すればよく、十分に冷却されるとガラス素材の光学素子形状は安定し、変形が抑制される。

なお、本発明の冷却プレート５ａ及び５ｂは、冷却時に、温度を調節しながら冷却できるように、必要に応じて、光学素子形状が付与されたガラス素材を段階的に加圧できるように、温度及び圧力の制御手段７が設けられている。ここで、冷却とは、光学素子形状を安定して付与できるようにガラス素材を固化させる温度をいい、その温度は、プレスプレートよりも５０〜１５０℃程度低いだけで、依然として高温であるため、この冷却プレート５ａ及び５ｂにもその内部にヒータが埋め込まれている。

その後、さらに別工程として冷却を継続し、２００℃以下にまで冷却して光学素子が得られる。このように冷却する際には、例えば、プレート内部に冷却水を循環して水冷した水冷プレートを用いられる。さらに、冷却して得られた光学素子は、アニール工程等に付されて歪み等を除去する等の後処理を施して最終的な製品とされる。

なお、この加熱プレート３ａ及び３ｂ、プレスプレート４ａ及び４ｂ、冷却プレート５ａ及び５ｂによる処理は、成形型２を順次各プレートへと移動させながら処理するため、成形型２を移動させるための移動手段が設けられている。この移動手段は図示していないが、例えば、ロボットアーム等により、加熱プレート３ｂからプレスプレート４ｂへ、プレスプレート４ｂから冷却プレート５ｂへ、と成形型２を移動できる。

次に、この光学素子の成形装置１を用いた光学素子の成形方法について説明する。図２は、この光学素子の成形方法について、各工程における動作（ａ）及び各工程における処理条件（（ｂ）、（ｃ））を示した図である。図２にも示したように、加熱工程、プレス工程、冷却工程のそれぞれについて、各工程の処理する場を、加熱ステージ、プレスステージ、冷却ステージと称する。

まず、成形型２の内部にガラス素材８０を収容し、成形型２を搬送手段により加熱プレート３ｂ上に搬送し、載置する。搬送されると、下型２２は加熱プレート３ｂに接触しているため加熱プレート３ｂと同じ温度まで昇温される。これと同時に、上型２１には上方向から加熱プレート３ａを接触させて同様に加熱する。このように上型２１及び下型２２が加熱されると、その内部に収容されているガラス素材８０も加熱され、このガラス素材が屈伏点以上に加熱されると変形が容易となる（図２（ａ）−加熱ステージ）。一般的には、軟化点まで温度を上げるとレンズ表面が白濁するので屈伏点（Ａｔ）から軟化点の間の温度に設定する。

この加熱ステージにおける加熱温度は、用いるガラス素材が加圧変形できればよく、屈伏点と軟化点との中間付近の温度が好ましい。加熱プレート３ａ及び３ｂの温度が後述するプレスプレート４ａ及び４ｂの温度設定よりも低いとプレスの際に加熱しながらプレスすることになりプレスに時間がかかりタクトが長くなり、プレスの際にレンズに傷が発生しやすくなるので好ましくない。逆に加熱プレート３ａ及び３ｂの温度が後述するプレスプレート４ａ及び４ｂの温度設定よりも高いと加熱の際に金型とガラスが接触する部分に曇りが発生する可能性が高くなり好ましくない。加熱プレート３ａの温度はプレスプレート４ａと、加熱プレート３ｂの温度はプレスプレート４ｂの温度設定と略同じとすることがより好ましい。ここで略同じとは±１０℃以内のことをいい、±５℃以内であることがより好ましい。加熱プレート３ａ及び３ｂを所定の温度に設定して、この加熱工程を行うと、図２（ｂ）に示したように、ガラス素材の温度が昇温していき設定温度と同じ温度にまで加熱される。また、加熱プレート３ａ及び３ｂの温度は、十分な温度に加熱されていない成形型２に接触するため、最初、温度の低下が起こるが、徐々に昇温してこちらも設定温度まで加熱される（図２（ｂ）−加熱ステージ）。

このようにして加熱ステージで十分に加熱された成形型２及びガラス素材８０は、搬送手段により、プレスプレート４ｂ上に搬送され載置される。

プレスプレート４ａ及び４ｂも加熱プレート３ａ及び３ｂと同程度の温度に加熱されており、ガラス素材が軟化状態を維持できる。さらに、プレスプレート４ａは、プレスプレート４ａ及び４ｂ間の距離を狭め、上型２１と下型２２との距離を狭めて、成形型２の内部に収容されたガラス素材８０に圧力をかけて変形できる。

このプレスステージでは、上記したように成形型２の上下から力をかけることでガラス素材８０のプレス成形を行い、これによりガラス素材には上型２１及び下型２２の光学形成面が転写され、光学素子形状が付与される。

但し、本発明では、プレス成形する前に、外胴２３ａとプレスプレート４ａとの間にスペーサープレート６を設置し、プレスプレート４ａ及び４ｂ間の距離を、外胴２３ａの高さにスペーサープレート６の厚みを加えた長さに規制して、上型２１と下型２２間の上下方向の距離が所定の距離となるように押切られる（図２（ａ）−プレスステージ）。

ここで、従来技術の問題点で挙げたように、外胴２３ａがプレスプレートに接触することで加熱されて膨張し、膨張によりプレスプレート４ａが押し上げられ、上型２１とプレスプレート４ａとの間に空間が生じて、ガラス素材に圧力がかからなくなることを回避して、光学素子の面形状の不具合を発生しにくくするため、スペーサープレート６を設置する。

本発明のようにプレスプレート４ａにスペーサープレートを設置することで、冷却工程において上型２１はまだ下方に押しこむことができるスペースが生じ、外胴２３ａが膨張しても、冷却工程において上型２１と上プレート４ａとの間に空間が生じることが無い。
すなわち、ガラス素材には常に上型２１から圧力がかけられるため、光学素子の面形状の不具合を抑制するのに効果的である。

このとき用いるスペーサープレートの厚さは、冷却工程で押込む量よりも厚くしておけばよい。このスペーサープレートの厚さは、例えば、０．０５〜５ｍｍ程度が好ましい。

また、このプレス工程におけるプレスは、加熱温度が前段の加熱ステージで加熱した温度と同程度の温度であり、ガラス素材に加えるプレス時の圧力は１〜３７．５Ｎ／ｍｍ^２が好ましく、例えば、５〜２０Ｎ／ｍｍ^２が特に好ましい（図２（ｂ）及び（ｃ）−プレスステージ）。

そして、このようなスペーサープレート６を設置して押切りが完了した成形型２は、搬送手段によりプレスステージから冷却ステージへと搬送される。この搬送手段は、上記した搬送手段と同様のものである。

次に、冷却ステージにより成形型２を冷却し、それによりガラス素材８０も冷却して、固化させる。この冷却は、ガラス素材のガラス転移点（Ｔｇ）以下に冷却させることが好ましく、ガラス素材の歪点以下の温度にまで冷却させることがより好ましい。

本発明においては、この冷却ステージで、冷却プレート５ａ及び５ｂを従来のように一定の温度に保持して冷却するのではなく、温度を調節しながら冷却する。
また、この冷却による光学素子の温度に応じて光学素子に対して段階的に加圧し、冷却時、光学素子に常に圧力をかけ続けることができる（図２（ａ）−冷却ステージ）。

まず、冷却プレート５ａ及び５ｂの温度の調節について説明する。プレスステージから成形型２が搬送されてきた際には、冷却プレート５ａ及び５ｂの設定温度を、ガラス素材の屈伏点以下ガラス転移点以上の温度であって、プレスプレートの温度よりも１０〜１００℃程度低い温度とし、成形型２と冷却プレート５ａ及び５ｂの温度が設定温度になるまで一定の温度を保持する（冷却プレート５ａ及び５ｂは、他の成形型２の冷却操作を終了したばかりなので当初は設定温度よりも低い温度になっている）。成形型２と冷却プレート５１の温度が設定温度になったら、歪点以下の温度まで一定の速度で冷却する（図２（ｂ）−冷却ステージ）。このとき、降温速度は５〜１５０℃／分程度が好ましい。

本発明では、このような温調冷却に伴って、成形型２への力も変化させることが好ましく、例えば、当初の成形型２と冷却プレート５ａ及び５ｂとをガラス素材８０の屈伏点以下ガラス転移点以上の温度に冷却するまでの間はガラス素材に低い圧力を、上記設定温度から降温していき、ガラス転移点まではガラス素材に中程の圧力を、ガラス転移点よりも低い温度になってからはガラス素材に高い圧力を、かけるように段階的に加圧するようにすればよい。ガラス転移点以上の温度を低圧にする理由は、肉厚バラツキを抑える（押込み量を少なくする）為であり、それ以下の温度域では押込み量がほとんど無いので段階的に増圧する。すなわち、ガラス素材が硬化状態に近づくガラス転移点（Ｔｇ）付近までは低圧で保圧し、ガラス転移点（Ｔｇ）付近からそれ以下の温度となりガラス素材が固化するまで、加圧を継続する。

ここで、低い圧力とは２．５Ｎ／ｍｍ^２以下、中程の圧力とは２．５Ｎ／ｍｍ^２超２０Ｎ／ｍｍ^２以下、高い圧力とは、２０Ｎ／ｍｍ^２超である。高い圧力をかける際には、ガラス素材にワレが生じる等の不具合がない限りはどのような圧力でもよいが、通常、３０Ｎ／ｍｍ^２程度が上限である。図２では、２．５Ｎ／ｍｍ^２、１２．５Ｎ／ｍｍ^２、２５Ｎ／ｍｍ^２と３段階に加圧する場合を例として示した（図２（ｃ）−冷却ステージ）。このとき、上記では３段階に圧力を増加させていく例を示したが、それ以上の多段階として加圧してもよい。

なお、本発明においては、プレスステージで所定の厚みよりも１〜３０μｍ厚いレンズを成形し、冷却工程で１〜３０μｍ押込むことで、所定の厚みを有する光学素子が得られる。

上記のように、冷却工程において、温度を調節しながら冷却することで、従来、ステージ間の移動により急激な温度差により冷却されていたものを、穏やかな条件で冷却できるため光学素子の面形状の不具合を抑制できる。さらに、従来、冷却ステージを複数のプレートを用いて段階的に冷却したものを、温調冷却することで、１つのプレートで達成でき、装置構成を簡素にできる。また、複数のプレートを移動する時に圧力がかからないため、成形された光学素子の面形状が安定しない、という問題を解決できる。

また、本発明は、プレスステージにおいて、スペーサープレートを用いて、さらに上型を押し込む余地を残しておき、この冷却ステージにおいて、冷却時、ガラス素材に圧力をかけ続けることで、光学素子の面形状の不具合を抑制できる。

なお、本発明の加熱工程の前には、予めガラス素材を加熱しておく予熱工程を行うことが好ましく、この予熱工程での加熱温度は、ガラス転移点以下歪点以上の温度が好ましい。予熱工程を行うことで、ガラス素材の急激な加熱が起こるのを防ぐことができる。

また、本発明の冷却工程の後には、歪点付近の温度から室温にまで冷却する水冷工程を行うことが好ましく、この工程を行うことで、成形型の非酸化温度の２００℃以下まで冷却できる。

上記説明では、外胴及び内胴の２つの胴型を有する成形型を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図３に示したように、外胴が無く、１つの胴型を有する成形型１２を用いることもできる。

この成形型１２は、上型１２１と、下型１２２と、胴型１２３と、厚み調整部材１２４と、から構成される、外胴が無く、１つの胴型１２３で光軸を同軸上に規制する機能と上下方向の距離を規制する機能とを両方発揮できる。この胴型１２３は、プレス工程において、その上面が厚み調整部材１２４を介して上部のプレスプレートにより押し下げられていき、胴型１２３の下面は下型のフランジ部分に接触して押しつけられる。このように、胴型１２３が、上下方向から加圧されることによって胴型１２３の垂直度が上がり、その結果、特に、光軸のずれを低減するように胴型１２３が働き、面間チルトのバラツキの少ない精度の高い光学素子を製造できる。なお、この成形型１２を用いた場合には、プレス工程において、上記説明したように本発明の特徴的な構成であるスペーサープレート６を、厚み調整部材１２４とプレスプレートの間に介在させてプレス成形する。

また、厚み調整部材１２４は、これを設けることなく、胴型１２３の上面が上部の加熱プレートに接触するように設けてもよいが、この厚み調整部材１２４を設けることで、製造する光学素子の厚みを調整できる。この厚み調整部材１２４を、目的の光学素子形状に応じて交換することによって、得られる光学素子の厚さを調整できる。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

（実施例１）
図１の光学素子の成形装置を用いて、光学素子の成形を以下の通り行った。なお、この実施例においても図２の操作、符号を参照しながら、以下説明する。

ここで用いた成形型は、タングステンカーバイドからなる超硬合金製であり、プレス成形により、直径１６ｍｍ、中心厚さ１ｍｍ、周辺厚さ５ｍｍの凹メニスカス形状の光学素子が得られる。

この成形型の内部に直径φ１４ｍｍ、中心厚み５．４ｍｍの断面楕円状のランタン系のガラス素材を収容し、成形型を６００℃に加熱した。なお、このガラス素材の歪点は５８０℃、ガラス転移点（Ｔｇ）は６１６℃、屈伏点（Ａｔ）は６６２℃である。

ガラス素材を収容した成形型を、搬送手段により加熱プレート３ｂ上に搬送し載置すると同時に加熱プレート３ａを下降させ、上型に接触させ、上型、下型及びガラス素材を１５０秒間充分に加熱し、ガラス素材を軟化状態とした。この加熱プレート３ａ及び３ｂの温度は６９０℃である

次に、加熱された成形型をプレスプレート４ｂ上に搬送し載置し、プレスプレート４ａを下降させ、プレス成形を行った。このとき、プレスプレート４ａと外胴２３ａの間に厚さ５ｍｍのスペーサープレート６（素材としてアンビロイ（登録商標；三菱マテリアルシーエムアイ株式会社製）を用いた）を設置し、プレス成形を行った。このとき、プレスプレート４ａ及び４ｂの温度は６９０℃であり、成形時のガラス素材への圧力は１２．５Ｎ／ｍｍ^２とした。

プレス後、成形型を冷却プレート５ｂ上に搬送し載置すると同時に冷却プレート５ａを下降させて上型２１に接触させ、ガラス素材に２．５Ｎ／ｍｍ^２の圧力をかけながら、冷却プレート５ａ及び５ｂの設定温度を６４０℃として、冷却プレート自体の温度とガラス素材の温度を６４０℃とした。なお、冷却プレートの温度は、成形型が冷却プレート上に搬送されたときには、一つ前の成形型の冷却工程を行った直後であったため、５８０℃弱の温度であり、出来るだけすばやくプレートの温度を６４０℃に上げる必要がある。

ガラス温度と冷却プレートの温度が安定したら、温度制御手段により、降温速度を３０℃／分として、５８０℃まで一定の速度で冷却するように冷却プレート温度及びガラス素材の温度を調節した。このとき、ガラス素材の温度が、そのガラス転移点を超えているときには、ガラス素材に１２．５Ｎ／ｍｍ^２の圧力をかけ、ガラス転移点以下の温度となったときには、２５Ｎ／ｍｍ^２の圧力をかけて、ガラス素材温度に応じて、圧力を段階的に増加させた。

ガラス素材が歪点以下の温度となったところで、成形型を水冷プレート上に搬送し載置して、ガラス素材を室温になるまで冷却し、十分に冷却したところで、成形型から取り出し、光学素子を得た。この光学素子の成形を２００ショット行い、得られた光学素子の面ワレの有無を確認したところ、表１に示した結果が得られた。

（比較例１）
プレスステージにおいて、スペーサープレートを用いない点、冷却ステージにおいて温度調節及び段階的加圧を行わず２．５Ｎ／ｍｍ^２の圧力をかける点、冷却ステージを２回行うようにし、プレスステージ直後の冷却プレート温度を６３０℃で一定とし、２回目の冷却ステージの冷却プレート温度を６２０℃一定とした点、以外は実施例１と同様の操作により、光学素子の成形を行った。

なお、冷却ステージにおいては、上記の通りガラス素材の圧力が抜けないようにしたが、外胴の膨張により、冷却プレートと上型との間に空間が生じ、ガラス素材に圧力がかかっていない状態となる時間があった。実施例１と同様に、この光学素子の成形を２００ショット行い、得られた光学素子の面ワレの有無を確認したところ、表１に示した結果が得られた。なお面ワレとは、光学機能面の形状が境界を持って不連続に変化する離型不良に起因する形状不良である。

面ワレの有無：面ワレについては、目視で非連続となる面の境界の有無を確認し、比較例１では２００ショット中２０個ランダムに発生し、実施例１では２００ショット中発生ゼロ、という結果であった。

（実施例２）
加熱ステージにおいて、ガラス温度が急激に上がらないように加熱プレートの温調制御を行った以外は、実施例１と同様の操作により光学素子を製造した。このとき、加熱プレートの温調は、図４に示したように、加熱プレートをガラス転移点以下歪点以上の温度からプレス時の温度である６９０℃まで、６０℃／分の昇温速度で徐々に加熱していく。この昇温速度は、３０〜６０℃／分程度が好ましい。
このとき、実施例１では、上下面頂に若干クモリが生じたり、プリフォームの自重変形が生じたりしたが、本実施例ではそのいずれも生じることなく、よりバラツキのない安定した光学素子を製造できた。その結果を表２に示した。ここで面頂とは、レンズの中心部分であり、加熱中に光学素子成形素材が成形型と接触している部分を示す。

（実施例３）
冷却ステージにおいて、ガラス温度に対する圧力の制御を図５に示した以外は実施例２と同様の操作により光学素子を製造した。
すなわち、プレス後、成形型を冷却プレート５ｂ上に搬送し載置すると同時に冷却プレート５ａを下降させて上型２１に接触させ、ガラス素材に２．５Ｎ／ｍｍ^２の圧力をかけながら、冷却プレート５ａ及び５ｂの設定温度を６４０℃として、冷却プレート自体の温度とガラス素材の温度を６４０℃とした。ガラス温度と冷却プレートの温度が安定したら、温度制御手段により、降温速度を３０℃／分として、５８０℃まで一定の速度で冷却するように冷却プレート温度及びガラス素材の温度を調節した。この降温操作と同時に、ガラス素材に２５Ｎ／ｍｍ^２の圧力をかけて、圧力を増加した。ここで得られた光学素子は、面ワレの発生が抑制されたものであった。その結果を表２に示した。また、あわせて、クモリ、自重変形、押し込み量、肉厚バラツキについても、表２に示した。

（実施例４，５）
加熱ステージの温度設定を６７０℃、６８０℃とプレスステージよりも低く設定した点以外は実施例１と同様の操作により光学素子の成形を行った。
加熱ステージの温度設定がプレスステージよりも２０℃低い場合には、実施例１と比較してプレスステージでのガラス素材をプレスするのに６０秒多くの時間を要した。同様に１０℃低い場合には、３０秒多くの時間を要した。このとき、面頂クモリ／自重変形、面ワレ、押し込み量、肉厚バラツキは実施例１と同等であり、面ワレの発生を抑制できた。ただし、成形品表面に成形型とガラスが擦れたことによる傷が若干発生していた。
上述のように加熱ステージの温度設定がプレスステージの温度設定よりも低い場合にはプレスタクトが長くなりコスト上好ましくない。更に傷が成形品に発生し歩留りを落とすため好ましくない。

（実施例６，７）
加熱ステージの温度設定を７００℃、７１０℃とプレスステージよりも高く設定した点以外は実施例１と同様の操作により光学素子の成形を行った。
このとき、自重変形、面ワレ、押し込み量、肉厚バラツキは実施例１と同等であり、面ワレの発生を抑制できた。ただし、加熱ステージの温度がプレスステージよりも高い場合には、得られた光学素子の中心部分、すなわち加熱ステージでガラス素材と成型型が接触する部分に面頂クモリがいくつか発生した。
上述のように加熱ステージの温度設定がプレスステージの温度設定よりも高い場合には光学素子の中心部分にポツ状の曇りが発生し歩留りを落とすので好ましくない。

面頂クモリ：目視によりクモリの有無を判定した。
自重変形：加熱軟化させた後、プレスをしないでガラス素材を型から取り出し、ガラス素材の変形の有無を判定した。
押し込み量：冷却ステージにおける、冷却プレート５ａを下降させて、ガラス素材を押し込んだ距離である。
肉厚バラツキ：２００個の中心肉厚を測定し、その標準偏差σを求めた。

（実施例８）
成形型として、図３に記載の成形型を用いた以外は実施例１と同様にして成形操作を行い、光学素子を得た。ここで用いた成形型は、タングステンカーバイドからなる超硬合金製であり、プレス成形により、直径１６ｍｍ、中心厚さ１ｍｍ、周辺厚さ５ｍｍの凹メニスカス形状の光学素子が得られる。

表３に、この実施例８と、胴型として外胴及び内胴を用いた実施例１の面間チルトについて示した。

面間チルトばらつき：得られた光学素子 １００個について、チルトセンサー（製造元：パナソニック株式会社、商品名：ＵＡ３Ｐ）により面間チルトを測定し、その標準偏差σを求めて面間チルトばらつきとした。

実施例８では、１つの胴型１２３により光軸を合わせると共に、上下の加熱プレートの上下位置を規制する際に、胴型１２３は、その上面は厚み調整部材１２４を介して上部の加熱プレートにより押し下げられていき、胴型１２３の下面は下型のフランジ部分に接触して押しつけられる。このように、胴型１２３が、上下方向から加圧されることによって胴型１２３の垂直度が上がり、面間チルトのバラツキの少ない精度の高い光学素子を製造できることがわかった。

以上に示したように、本発明の光学素子の成形方法により、冷却時に、ガラス素材に圧力を常にかけることにより成型した光学素子の面ワレ等の面形状の不具合が生じることを効果的に抑制できることがわかった。なお、本実施例では光学素子の直径１６ｍｍから計算される２０１平方ｍｍの面積に対して最大でガラス素材に２５Ｎ／ｍｍ^２の圧力を加えている。なお実施例では、エアシリンダーを用いたが、電動サーボシリンダー、油圧シリンダー、電動油圧シリンダーなど他の種類のシリンダーを用いても良い。

本発明の光学素子の成形方法及び成形装置は、プレス成形による光学素子の製造に利用できる。

１…光学素子の成形装置、２…成形型、３ａ，３ｂ…加熱プレート、４ａ，４ｂ…プレスプレート、５ａ，５ｂ…冷却プレート、６…スペーサープレート、７…温度及び圧力制御手段、２１…上型、２２…下型、２３…胴型、８０…ガラス素材

Claims (10)

1. 上型、下型及び胴型からなる成形型にガラス素材を収容し、前記成形型を加熱してガラス素材を軟化させる加熱工程と、軟化したガラス素材を、プレスプレートを用いて前記成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、前記成形型を冷却し、光学素子形状を付与したガラス素材を固化させる冷却工程と、からなる光学素子の成形方法であって、
   前記プレス工程において、前記プレスプレートと前記胴型間にスペーサープレートを介在させてプレスし、
   前記冷却工程において、前記ガラス素材が固化するまで前記ガラス素材の加圧を継続することを特徴とする光学素子の成形方法。
2. 前記冷却工程において、前記ガラス素材を段階的に加圧していく請求項１記載の光学素子の成形方法。
3. 前記冷却工程において、前記ガラス素材を、その屈伏点以下ガラス転移点以上であって、前記プレス工程の加熱温度よりも低い温度に冷却し、次いで、前記ガラス素材の歪点以下の温度にまで一定の速度で冷却する請求項１又は２記載の光学素子の成形方法。
4. 前記冷却工程において、ガラス素材の屈伏点以下ガラス転移点以上の温度に冷却する間は、２．５Ｎ／ｍｍ^２以下の圧力で、前記歪点以下の温度になるように冷却する間は、２．５Ｎ／ｍｍ^２超の圧力でガラス素材に加圧する請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素子の成形方法。
5. 前記冷却工程における歪点以下の温度になるように冷却する間、前記ガラス素材がガラス転移点より高い温度にあるときには、２．５Ｎ／ｍｍ^２超２０Ｎ／ｍｍ^２以下の圧力で、前記ガラス素材がガラス転移点より低い温度にあるときは、２０Ｎ／ｍｍ^２超の圧力で、段階的にガラス素材に加圧していく請求項４記載の光学素子の成形方法。
6. 前記加熱工程とプレス工程の温度設定は略同じとすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の光学素子の成形方法。
7. ガラス素材を収容してプレス成形できる上型、下型及び胴型からなる成形型と、前記成形型を加熱してガラス素材を軟化させる加熱手段と、軟化したガラス素材を、前記成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス手段と、前記成形型を冷却し、光学素子形状を付与したガラス素材を固化させる冷却手段と、を有し、前記成形型を前記加熱手段、プレス手段及び冷却手段へ順次移動させる型移動方式の光学素子の成形装置であって、
   前記プレス手段によって前記ガラス素材をプレスする際に、前記プレス手段と前記胴型間に介在させて前記上型及び下型間の距離を調整するスペーサープレートと、
   前記冷却手段の温度及び前記冷却手段により前記ガラス素材にかける圧力を制御できる温度及び圧力制御手段と、を有することを特徴とする光学素子の成形装置。
8. 前記温度及び圧力制御手段が、前記ガラス素材にかける圧力を段階的に加圧するように制御される請求項６記載の光学素子の成形装置。
9. 前記温度及び圧力制御手段が、前記ガラス素材を、その屈伏点以下ガラス転移点以上の温度に冷却した後、前記歪点以下の温度にまで一定の速度で冷却する請求項６又は７記載の光学素子の成形装置。
10. 前記スペーサープレートが、超硬合金、ステンレス鋼又はタングステンを主成分とする合金で形成されている請求項６乃至８のいずれか１項記載の光学素子の成形装置。

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