JP2011126755A - 精密プレス成形用ガラス素材の肉厚決定方法および製造方法、ならびにガラス光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】近似形状化された精密プレス成形用ガラスプリフォームの肉厚を、試行錯誤を経ることなく決定するための手段を提供すること。
【解決手段】精密プレス成形用ガラス素材の肉厚決定方法。精密プレス成形により得ようとするガラス成形体と同一硝材からなり同一体積を有し、かつ該ガラス成形体よりも肉厚が厚いテスト用ガラス素材を、得ようとするガラス成形体の肉厚となるようにプレス成形するテストプレス成形を行うこと、上記テストプレス成形における肉厚変形量と変形速度との相関関係を示す近似直線を作成すること、を、少なくとも２種類の異なるプレス荷重において実施することにより、少なくとも２種類の上記近似直線を作成し、作成された近似直線の交点における肉厚変形量の値を、得ようとするガラス成形体の肉厚に足し合わせた値以上に、上記精密プレス成形用ガラス素材の肉厚を決定する。
【選択図】なし

Description

本発明は、精密プレス成形によってガラス光学素子を得るために使用可能な精密プレス成形用ガラス素材の肉厚決定方法、精密プレス成形用ガラス素材の製造方法、および上記製造方法によって得られた精密プレス成形用ガラス素材を使用するガラス光学素子の製造方法に関するものである。

ガラスレンズ等の光学素子を製造する方法として、対向する成形面を有する上型と下型により、成形素材（以下、「プレス成形用ガラス素材」または「ガラスプリフォーム」という）をプレス成形する方法（「精密プレス成形法」、「精密モールドプレス法」等と呼ばれる）が知られている。この方法は、熔融状態から所定形状に固化させた光学ガラスまたは所定形状に研磨加工した光学ガラスを成形型内に投入し、加熱プレス成形することによりガラス光学素子を得る方法である。精密プレス成形法は、精密に加工された成形型を用いることでプレス成形後の研磨加工などの後加工を必要としないために安価に高性能のレンズを得ることができる。

上記精密プレス成形法によって光学素子を成形する際、ガラスプリフォームの形状や体積は、目的とする光学素子の形状や体積に近似されているほど、変形量が少なくなり短時間でプレス成形ができるため、生産効率の向上の点から望ましい。

ガラスプリフォームを成形する光学素子の形状に近似化する手法としては、熔融したガラスを滴下し、型でプレスすることでガラスプリフォームを近似形状化する方法が知られている（特許文献１〜３参照）。

またガラスプリフォームの近似形状化の目安として、その曲率を規定すること（特許文献４参照）、表面粗さを規定すること（特許文献５参照）、外径を規定すること（特許文献６参照）が提案されている。

特開平９−５２７２０号公報 特開平７−１６５４３１号公報 特許第２７９０５４７号明細書 特許第３１３０６１９号明細書 特開平５−２８６７２８号公報 特公平７−０５５８３８号公報

上記の通りガラスプリフォームは近似形状化するほど、生産効率の向上に寄与するが、ガラスプリフォームの肉厚を成形する光学素子の肉厚に近づけすぎると、変形量の不足による転写不良が生じ、結果として光学機能面の性能不良が生じてしまう。
しかし従来、近似形状化の目安に関し、近似形状化したガラスプリフォームの肉厚を規定することは行われていない。近似形状化したガラスプリフォームの肉厚に関する記載があるものでも（上記特許文献６）、ガラスプリフォームの肉厚はレンズに対して少し厚いとしか記載されていない。したがって、従来、ガラスプリフォームの近似形状化に於ける肉厚は試行錯誤により、大凡の目安として決定するしかなかった。

そこで本発明の目的は、近似形状化された精密プレス成形用ガラスプリフォームの肉厚を、試行錯誤を経ることなく決定するための手段を提供することにある。

本願発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、プレス成形時のガラスの変形量と変形速度との間には相関関係が成り立ち、この相関関係を利用することにより、近似形状化された精密プレス成形用ガラス素材の肉厚を、変形量の不足による転写不良を起こさない範囲に設定することができることを、新たに見出した。
本発明は、以上の知見に基づき完成された。

即ち、上記目的は、下記手段により達成された。
[１]精密プレス成形用ガラス素材の肉厚決定方法であって、
精密プレス成形により得ようとするガラス成形体と同一硝材からなり同一体積を有し、かつ該ガラス成形体よりも肉厚が厚いテスト用ガラス素材を、得ようとするガラス成形体の肉厚となるようにプレス成形するテストプレス成形を行うこと、
上記テストプレス成形における肉厚変形量と変形速度との相関関係を示す近似直線を作成すること、
を、少なくとも２種類の異なるプレス荷重において実施することにより、少なくとも２種類の上記近似直線を作成し、作成された近似直線の交点における肉厚変形量の値を、得ようとするガラス成形体の肉厚に足し合わせた値以上に、上記精密プレス成形用ガラス素材の肉厚を決定することを特徴とする、前記肉厚決定方法。
[２]原料ガラスを成形することにより精密プレス成形用ガラス素材を製造する方法において、
[１]に記載の方法により精密プレス成形用ガラス素材の肉厚を決定し、
上記成形において、決定された肉厚を有する精密プレス成形用ガラス素材を作製する、精密プレス成形用ガラス素材の製造方法。
[３][２]に記載の製造方法により精密プレス成形用ガラス素材を作製すること、
作製された精密プレス成形用ガラス素材を加熱し、軟化した前記ガラス素材を精密プレス成形することによりガラス成形体を得ることを含む、ガラス光学素子の製造方法。
[４]得られたガラス成形体の外周部を研削加工により除去することを含む、[３]に記載のガラス光学素子の製造方法。

本発明によれば、試行錯誤することなく、転写不良を起こさない範囲でガラスプリフォームを近似形状化することが可能となる。これにより、精密プレス成形における生産効率の向上を達成することができる。

精密プレス成形用ガラス素材の一形態を示す断面図である。 図１に示すガラス素材を精密プレス成形することにより得られるガラス成形体の断面図である。 図２に示すガラス成形体から得られたガラス光学素子の断面図である。 精密プレス成形法の一形態を表す説明図である。 プレス成形時（プレス荷重：２４０ｋｇ、１８０ｋｇ）の肉厚変形量と中心肉厚の平均変形速度との相関関係を示すグラフである。 プレス成形時（プレス荷重：２４０ｋｇ、２１０ｋｇ）の肉厚変形量と中心肉厚の平均変形速度との相関関係を示すグラフである。 プレス成形時（プレス荷重：２１０ｋｇ、１８０ｋｇ）の肉厚変形量と中心肉厚の平均変形速度との相関関係を示すグラフである。

［精密プレス成形用ガラス素材の肉厚決定方法］
本発明の精密プレス成形用ガラス素材の肉厚決定方法（以下、単に「肉厚決定方法」ともいう）は、
精密プレス成形により得ようとするガラス成形体と同一硝材からなり同一体積を有し、かつ該ガラス成形体よりも肉厚が厚いテスト用ガラス素材を、得ようとするガラス成形体の肉厚となるようにプレス成形するテストプレス成形を行うこと、
上記テストプレス成形における肉厚変形量と変形速度との相関関係を示す近似直線を作成すること、
を、少なくとも２種類の異なるプレス荷重において実施することにより、少なくとも２種類の上記近似直線を作成し、作成された近似直線の交点における肉厚変形量の値を、得ようとするガラス成形体の肉厚に足し合わせた値以上に、上記精密プレス成形用ガラス素材の肉厚を決定するものである。本発明の肉厚決定方法は、上記足し合わせることにより得られる値が、近似形状化された精密プレス成形用ガラス素材の肉厚下限値であり、この下限値以上の肉厚とすることにより変形量不足による転写不良を起こすことなく良好な精密プレス成形が可能となることを、本願発明者らが見出した結果、完成されたものである。
以下、上記値を肉厚下限値として採用する妥当性について説明する。

図１に精密プレス成形用ガラス素材の一形態を示す断面図、図２に図１に示すガラス素材を精密プレス成形することにより得られるガラス成形体の断面図を示す。図２に示すガラス成形体は、そのままガラス光学素子とすることが可能であるが、外周部を研削加工（心取り加工）により除去してガラス光学素子とすることもできる。そのようなガラス光学素子の断面図を図３に示す。
図２に示すガラス成形体２（外径ｄ２、中心肉厚ｔ２）を得るためのプレス成形用ガラス素材１の外径ｄ１、中心肉厚ｔ１は、ｔ２＜ｔ１、ｄ１＜ｄ２の関係にある。また、心取り加工後のガラス光学素子３の中心肉厚は、ガラス成形体２の中心肉厚ｔ２と同一であり、外径はｄ３＜ｄ２となる。
ここで、図２に示す凸メニスカス形状のガラスレンズ（ガラス成形体）としてレンズ径ｄ２＝１２ｍｍ、中心肉厚ｔ２＝１．７ｍｍのガラスレンズを得るためのプレス成形用ガラス素材１の中心肉厚ｔ１を決定するために、上記ガラスレンズと同一硝材からなり同一体積を有する凸メニスカス形状のガラス素材（テスト用ガラス素材）として、中心肉厚ｔ０（１．７ｍｍ＜中心肉厚ｔ０）が異なる複数のテスト用ガラス素材を作製した。これらテスト用ガラス素材は、後述の実施例に示す硝材（リン酸系ガラス）からなるものであり、実施例に示す方法により作製した。
これら複数のテスト用ガラス素材を、図４に示すように、上型４、下型５および胴型６を含む成形型７内に供給し、テスト用ガラス素材を構成するリン酸系ガラスが１０^7.2ｄＰａ・ｓ相当前後となる温度に昇温した後、プレスヘッド８を降下させることにより所定のプレス荷重を印加し、ガラス成形体２の中心肉厚１．７ｍｍとなるまでプレス成形した。プレス成形の具体的工程は、後述の実施例に記載の通りとした。
プレス荷重２４０ｋｇ、１８０ｋｇでプレス成形した際の肉厚変形量（ｔ０−ｔ２）および中心肉厚の平均変形速度を下記表１に示す。表１に示すデータをプロットしたグラフを、図５に示す。平均変形速度は、肉厚変形量をガラス素材の肉厚がレンズ肉厚に達するまでに要した時間で除した値である。図５には、各プロットを直線に近似した場合の近似式および相関係数を示した。近似直線および近似式は、最小二乗法によるフィッティングによって求めた。

統計学的には、一般に２つの変数の関連性の強さを示す指標として、相関係数が用いられ、相関係数の範囲に対する相関の強さは以下の様に示されている。
０ 〜 ０．２ ほとんど相関なし
０．２ 〜 ０．４ やや相関あり
０．４ 〜 ０．７ かなりの相関あり
０．７ 〜 １ 強い相関あり
相関係数０．４以上で、２つの変数に関連性があると言える。図５に示すように、肉厚変形量と変形速度との近似式の相関係数は共に０．４以上であり、肉厚変形量と変形速度には相関があることが分かる。また、図５から、変形速度は変形量により異なることが分かる。これは、同一体積のガラス素材を用いたために、変形量の大きなガラス素材ほど、変形初期の接触面積が小さく、結果として同一プレス荷重であっても高い面圧が作用したことに起因する。一方で変形速度は、プレス荷重が高いほどその値が大きくなることが分かり、これは高い荷重でプレスすれば、速く変形させられることを示している。

更に図５から、肉厚変形量と変形速度の近似式がプレス荷重によって異なることが分かる。ここで、２つの近似直線の交点は、変形速度の荷重による差異が逆転する所である。即ち、近似直線の交点はプレス荷重が高い方が、変形速度が低くなる境界を示している。これは、プレスによる変形が不十分であり、ガラス素材が成形型に対し、十分な転写性を有さない境界であるとも言える。従って、２つの近似直線の交点のｘの値が、十分な転写性を得ることが可能な肉厚変形量の下限値となる。図５に示す態様では、２つの近似式は図５中に記載のように、以下の通りである。
ｙ₁＝１６．４６ｘ−２．７
ｙ₂＝１２．５ｘ−０．８
ここで、２つの近似直線の交点のｘの値は、ｙ₁＝ｙ₂とすることでｘ＝約０．５ｍｍと求められる。この肉厚変形量の下限値にレンズの肉厚を足し合わせた値が、ガラス成形体の精密プレス成形における、プレス成形用ガラス素材の近似形状化時の肉厚下限である。従って上記態様では、レンズ肉厚が１．７ｍｍなので、成形型に対し十分な転写性が得られるプレス成形用ガラス素材の肉厚下限は、レンズ肉厚１．７ｍｍに先の変形量下限値０．５ｍｍを加えた２．２ｍｍとなる。
なお、図５にはプレス荷重２４０ｋｇ、１８０ｋｇでプレス成形した際の肉厚変形量および中心肉厚の平均変形速度のデータをプロットしたグラフを示した。プレス荷重を２１０ｋｇとして上記と同様にグラフを作成し近似曲線を求め、プレス荷重２４０ｋｇの場合の近似曲線と合わせて示したグラフが図６（Ａ）であり、プレス荷重１８０ｋｇの場合の近似曲線と合わせて示したグラフが図６（Ｂ）である。図６（Ａ）、（Ｂ）に示すグラフはいずれも近似曲線の交点において、ｘ＝約０．５ｍｍであった。したがって、プレス荷重によらず一定の値が得られることがわかる。

そこで次に、本発明における上記算出法の妥当性を、上記と同じ硝材からなりレンズと同一体積であり、中心肉厚が異なる複数のプレス成形用ガラス素材をプレス成形することで確認した。プレス荷重は２１０ｋｇとした。得られたガラス成形体（ガラスレンズ）を、球面干渉計を用いて、以下の基準にしたがい評価した。結果を下記表２に示す。
○：曲率、面形状が共に良好
△：球面曲率が不均一
×：転写不十分による球面曲率段差を伴う不良あり

表２に示す結果から、プレス成形用ガラス素材の中心肉厚が２．１ｍｍ、即ち肉厚変形量が０．４ｍｍ以下では成形型に対し十分な転写性が得られないために成形面の形状が不良となっていることが分かる。これに対し、プレス成形用ガラス素材の肉厚が２．２ｍｍ以上であれば良好な成形面の形状が得られた。
以上の結果から、ガラスレンズの精密プレス成形において、プレス成形用ガラス素材の近似形状化時の肉厚下限を、プレス成形時におけるガラス素材の変形量と変形速度から算出することの妥当性が証明された。

以上の算出方法は、一般に考えてプレス荷重が高い方が変形速度は速くなるところ、ある変形領域以下ではプレス荷重が高い方がプレス速度が遅くなるという現象を本願発明者らが新たに見出したことによって、初めて導き出されたものである。
以下、本発明の肉厚決定方法について、更に詳細に説明する。なお、本発明の肉厚決定方法により決定される肉厚は、中心肉厚であることが好ましい。

本発明の肉厚決定方法により肉厚が決定されるガラス素材は、精密プレス成形に供されるものである。精密プレス成形法は、モールドオプティクス成形法とも呼ばれ、既に当該発明の属する技術分野においてはよく知られたものである。光学素子の光線を透過したり、屈折させたり、回折させたり、反射させたりする面を光学機能面と呼ぶ。例えばレンズを例にとると非球面レンズの非球面や球面レンズの球面などのレンズ面が光学機能面に相当する。精密プレス成形法はプレス成形型の成形面を精密にガラスに転写することにより、プレス成形で光学機能面を形成する方法である。つまり光学機能面を仕上げるために研削や研磨などの機械加工を加える必要がない。したがってプレス成形時の転写不良は、最終製品である光学素子における性能不良の原因となる。本発明の肉厚決定方法により肉厚が決定されたプレス成形用ガラス素材によれば、プレス成形時の変形量不足による転写不良を回避することができるため、精密プレス成形により高性能な光学素子を作製することができる。

本発明の肉厚決定方法において使用するテスト用ガラス素材は、精密プレス成形により得ようとするガラス成形体と同一硝材からなり同一体積を有し、かつ該ガラス成形体よりも肉厚が厚いものである。適用可能な硝種は特に限定されるものではなく、リン酸系ガラス、ホウ酸系ガラス等の各種ガラスに本発明を適用することができるが、中でもリン酸系ガラスに本発明を適用することが好ましい。

肉厚を決定するプレス成形用ガラス素材は、精密プレス成形によって得られるガラス成形体と同一体積であり、かつ該ガラス成形体に近似した形状を有するものである。図１および図２に基づき説明すると、生産効率の向上および廃棄物の削減の観点からは、ｄ２／ｄ１≦１．５、１．２≦ｔ１／ｔ２≦３．０であることが好ましく、更には１．２５≦ｔ１／ｔ２≦２．０であることがより好ましい。より高い信頼性をもって肉厚下限値を算出する観点からは、ｄ２の具体的数値範囲としては、３ｍｍ〜１９ｍｍ程度が好適であり、ｔ２の具体的数値としては、０．６ｍｍ〜２．７ｍｍ程度が好適である。また、曲率比については、０．６≦プレス成形用ガラス素材の各面曲率／ガラス成形体の各面曲率≦１．０、が好適である。したがってテスト用ガラス素材も、上記範囲内の形状を有するものを準備することが好ましい。テスト用ガラス素材は、後述のプレス成形用ガラス素材と同様の方法で作製することができる。

上記テスト用ガラス素材をプレス成形するテストプレス成形は、実成形に使用するプレス成形機で行うことは必須ではないが、機器間の誤差等を考慮すると同一のプレス成形機で行うことが好ましい。テストプレス成形は、少なくとも２種類の近似直線を得るために異なる２種類以上のプレス荷重により行う。３種類以上の異なる荷重でテストプレス成形を行うことも可能であり、この場合には近似直線が３種類以上得られることになる。３種以上の近似直線の交点から肉厚下限値を求めることも、もちろん可能であるが肉厚下限値を得るための工程がそのぶん増えることになる。したがって本発明では、２種類の異なるプレス荷重によりテストプレス成形を行うことが好ましい。

テストプレス成形において印加するプレス荷重は特に限定されるものではなく、例えば１００〜３００ｋｇ程度の範囲に設定することができる。近似直線を得るために、同一プレス荷重について異なる肉厚のテスト用ガラス素材を少なくとも２つプレス成形するが、フィッティング精度の点からは３つ以上プレス成形することが好ましく、５つ以上プレス成形することが更に好ましい。同一プレス荷重についてプレス成形するテスト用ガラス素材の数が増えるほど、フィッティング精度は高くなり好ましいが、テストプレス成形の回数がそれだけ増えることになる。フィッティング精度と作業性を両立する観点からは、１０個以下であることが好ましい。

次いで、テストプレス成形における肉厚変形量と変形速度と相関関係を示す近似直線を作成する。本工程の詳細は、先に具体的に説明した通りである。

以上の工程を、少なくとも２種類の異なるプレス荷重において実施することにより、少なくとも２種類の近似直線を作成することができる。作成された近似直線の交点における肉厚変形量の値に成形すべきガラス成形体の肉厚を足し合わせた値が、先に説明したように、転写不良を起こすことなくプレス成形可能な肉厚下限値となる。したがって求められた肉厚下限値以上に精密プレス成形用ガラス素材の肉厚を決定することにより、精密プレス成形において、転写不良を起こすことなく高品質な光学素子を作製可能なプレス成形用ガラス素材を得ることができる。なお、プレス成形用ガラス素材の肉厚上限値は、上記下限値以上の値であって、得ようとするガラス成形体の中心肉厚の３倍以内、好ましくは２倍以内とすることが、生産効率の点から望ましい。

［精密プレス成形用ガラス素材の製造方法］
本発明の精密プレス成形用ガラス素材の製造方法は、原料ガラスを成形することにより精密プレス成形用ガラス素材を製造するものであり、本発明の肉厚決定方法により製造すべき精密プレス成形用ガラス素材の肉厚を決定し、決定された肉厚を有する精密プレス成形用ガラス素材を作製するものである。こうして作製されるプレス成形用ガラス素材によれば、変形量不足による転写不良を起こすことなく、高性能な光学素子を得ることができる。
上記肉厚の決定については、先に説明した通りである。以下、その他の工程について説明する。

原料ガラスとしては、精密プレス成形により得ようとするガラス成形体と同一硝材からなるものを使用する。例えば、原料ガラスとしてブロック状の光学ガラスから切り出したものを、研削や研磨によって所定体積、所定形状に成形することにより、精密プレス成形用ガラス素材を得ることができる。または、熔融状態の光学ガラスをパイプから滴下、または流下しつつ分離して所定量のガラス塊とし、このガラス塊の冷却中に成形することができる。ここで、熔融状態のガラスを、底部からガスを噴出する受け型に受け、実質的に浮上させた状態で冷却しつつ予備成形する方法を採用することもできる。この方法は生産効率が高く、表面の平滑なガラス素材が得られることから好ましい。

［ガラス光学素子の製造方法］
本発明のガラス光学素子の製造方法は、本発明の精密プレス成形用ガラス素材の製造方法により精密プレス成形用ガラス素材を作製すること、作製された精密プレス成形用ガラス素材を加熱し、軟化した前記ガラス素材を精密プレス成形することによりガラス成形体を得ることを含むものである。
精密プレス成形用ガラス素材の作製については、上述の通りである。以下、その他の工程について説明する。

精密プレス成形に用いる成形型としては、充分な耐熱性、剛性を有し、緻密な材料を精密加工したものを用いることができる。例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化タングステン、酸化アルミニウムや炭化チタン、ステンレス等金属、あるいはこれらの表面に炭素、耐熱金属、貴金属合金、炭化物、窒化物、硼化物などの膜を被覆したものを挙げることができる。

成形型としては、プレス成形用ガラス素材との接触面となる成形面に、炭素含有膜等の被覆膜を有するものを使用することもできる。該炭素含有膜としては、非晶質および／または結晶質の、グラファイトおよび／またはダイヤモンドの、単一成分層または複合層から構成されているものを用いることが好ましい。この炭素膜は、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法等の手段で成膜することができる。例えば、スパッタガスとしてＡｒの如き不活性ガスを、スパッタターゲットとしてグラファイトを用いてスパッタリングにより成膜することができる。或いは、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により原料ガスとしてメタンガスと水素ガスを用いて成膜してもよい。イオンプレーティング法により形成する場合には、ベンゼンガスを用い、イオン化して用いることができる。これらの炭素膜はＣ−Ｈ結合を有するものを含む。なお、成形型の成形面に炭素含有膜を設けることにより、プレス成形時のプレス成形用ガラス素材と成形型との融着を防止することが可能となるが、このような場合には、プレス成形時に炭素の酸化を防止する目的で、非酸化雰囲気下でプレスを行うことが好ましい。

精密プレス成形用ガラス素材の表面にも、ガラス素材と成形型との融着防止や離型性向上のための被膜を形成することができる。そのような被膜は、所望の効果を有するものであればよく特に限定されるものではないが、例えば炭素を含有する膜を挙げることができる。炭素を含有する膜は、プレスに先立ってガラス素材が成形型に供給される際、成形型との充分な滑り性をもたらし、ガラス素材が成形型の所定位置(中心位置)に滑らかに移動できるようにするとともに、プレスによってガラス素材が軟化し、変形するときに、ガラス素材の表面上でガラス変形に従って伸び、ガラス素材の成形型表面における延展を助けることができる。更に、プレス後に成形体が所定温度に冷却されたときに、ガラスが成形型表面と離れやすくし、離型を助ける点で有用である。

この炭素含有膜としては、炭素を主成分とするものが好ましく、炭化水素膜など、炭素以外の成分を含有するものでもよい。成膜方法としては、炭素原料を用いた真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング法、プラズマ処理、イオンガン処理など、公知の成膜方法を用いて行うことができる。また、炭化水素等、炭素含有物の熱分解によって成膜してもよい。

精密プレス成形は、具体的には、例えば以下のような方法で行うことができる。
プレス成形にあたっては、図４に示すように、上型４、下型５および胴型６を含む成形型７内にプレス成形用ガラス素材１を供給し、プレスに適した温度域に昇温する。例えば、加熱温度はプレス成形用ガラス素材１を構成する光学ガラスによって適宜設定されるが、プレス成形用ガラス素材１と成形型７が、プレス成形用ガラス素材１の粘度が１０⁵〜１０¹⁰ｄＰａ・ｓになる温度域にあるときプレス成形を行うことが好ましい。プレス温度は、例えばプレス成形用ガラス素材１を構成する光学ガラスが１０^7.2ｄＰａ・ｓ相当前後となる温度が好ましい。プレス成形時の温度が高いほど型寿命の低下を招くおそれがあるため、型寿命を考慮すると、粘度１０^7.2ｄＰａ・ｓ前後となる温度が８００℃以下、好ましくは７５０℃以下、更に好ましくは６５０℃以下となるガラスを選択することが望ましい。プレス成形は、プレスヘッド８を降下させ所定の荷重を印加することにより行うことができる。

プレス成形用ガラス素材１を成形型７に導入し、プレス成形用ガラス素材１と成形型７を一緒にプレス成形温度まで加熱してプレス成形を行ってもよく、予熱した成形型７に加熱したプレス成形用ガラス素材１を導入してプレス成形を行ってもよい。後者の方法を採用する場合には、プレス成形用ガラス素材１を１０⁵〜１０⁹ｄＰａ・ｓ粘度相当、成形型７をガラス粘度で１０⁹〜１０¹²ｄＰａ・ｓ相当の温度にそれぞれ昇温し、プレス成形用ガラス素材１を成形型７に配置して直ちにプレス成形する方法を採用してもよい。この方法は、成形型温度を相対的に低くすることができるため、成形装置の昇温／降温サイクルタイムを短縮できるとともに、成形型７の熱による劣化を抑制できる効果がある点で好ましい。いずれの場合も、プレス成形開始時、または開始後に冷却を開始し、適切な荷重印加スケジュールを適用しつつ、成形面とガラス素子の密着を維持しながら、降温する。この後、離型して成形体を取り出す。離型温度は、ガラス粘度１０^12.5〜１０^13.5ｄＰａ・ｓ相当の温度で行うことが好ましい。

得られたガラス成形体は、そのまま最終製品である光学素子として出荷することができ、または、外周部を研削加工により除去する心取り加工を行い、最終製品である光学素子を得ることができる。更には、表面に反射防止膜等の光学的機能膜を形成した後に最終製品とすることもできる。この場合は、ガラス成形体に、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂−ＴｉＯ₂、ＭｇＦ₂などの材料を単層で、または積層して適宜成膜することによって、所望の反射防止膜を形成することができる。反射防止膜の成膜方法は、蒸着法、イオンアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法など、公知の方法で行うことができる。例えば、蒸着法による場合には、蒸着装置を用いて、１０^-4Ｔｏｒｒ程度の真空雰囲気中で、蒸着材料を電子ビーム、直接通電またはアークにより加熱し、材料から蒸発および昇華により発生する材料の蒸気を基材の上に輸送し凝縮・析出させることにより反射防止膜を形成することができる。基材加熱温度は室温〜４００℃程度とすることができる。ただし、基材のガラス転移温度（Ｔｇ）が４５０℃以下の場合、基材加熱の上限温度はＴｇ−５０℃とすることが好ましい。

本発明により得られるガラス光学素子は、小径、薄肉の小重量レンズ、例えば、携帯撮像機器などに搭載する小型撮像系用レンズ、通信用レンズ、光ピックアップ用の対物レンズ、コリメータレンズ等とすることができる。レンズ形状は特に限定されるものではなく、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズなど各種の形状をとることができる。

以下、本発明を実施例により更に説明する。但し、本発明は実施例に示す態様に限定されるものではない。

Ａ．精密プレス成形による肉厚１．４５ｍｍのガラスレンズの作製
１．テスト用ガラス素材の作製
下記表３に示す光学ガラスからなり、図２に示す凸メニスカス形状のガラスレンズ（ガラス成形体；レンズ径ｄ２＝１１ｍｍ、中心肉厚ｔ２＝１．４５ｍｍ）を得るためのプレス成形用ガラス素材１の中心肉厚ｔ１の下限値を決定するために、以下の方法の方法でテスト用ガラス素材を作製した。
下記表３に示す光学ガラスを熔融状態から受け型に滴下、冷却し、図１に示すような片側を凸面、反対側を凹面とした形状のガラス塊を予備成形した。この予備成形を繰り返し、同一硝材からなり同一体積であるが中心肉厚の異なるテスト用ガラス素材を複数作製した。

２．テストプレス成形および肉厚下限値の算出
上記１．で作製したテスト用ガラス素材のテストプレス成形を、プレス荷重２４０ｋｇ、１８０ｋｇで行った。具体的工程を以下に示す。
テスト用ガラス素材をモールドプレス成形装置により窒素ガス雰囲気下でプレス成形した。すなわち、成形面にスパッタ法による炭素含有離型膜を形成したＳｉＣ製の上下型と、胴型からなる成形型を用い、成形装置のチャンバー内雰囲気を非酸化性のＮ₂ガスで充満してから、テスト用ガラス素材を、その粘度が１０^7.2ｄＰａ・ｓとなる温度に加熱し、テスト用ガラス素材の粘度で１０^8.5ｄＰａ・ｓ相当の温度に加熱した成形型に供給した。そして、供給直後に上下型間でガラス素材を中心肉厚が１．４５ｍｍとなるまでプレスし、ガラスと上下型の密着を維持したまま、プレス用ガラス素材の徐冷温度以下の温度まで冷却し、成形型内から成形体（ガラスレンズ）を取り出した。
プレス荷重２４０ｋｇ、１８０ｋｇについて、図５と同様に肉厚変形量および中心肉厚の平均変形速度から相関関係を示す近似直線の作成および交点における肉厚変形量の値を求めたところ、０．４８ｍｍであった。したがって、肉厚下限値は０．４８ｍｍ＋１．４５ｍｍ＝１．９３ｍｍと算出された。

３．精密プレス成形によるガラスレンズの作製
上記１．と同様の方法により、得ようとするガラスレンズと同一硝材からなり同一体積の中心肉厚が異なる複数のプレス成形用ガラス素材を作製した。作製したガラス素材を用いて、プレス荷重を２１０ｋｇとした点を除き、上記２．と同様の工程を行い、成形体（ガラスレンズ）を得た。得られた成形体の形状を、前述の方法で評価した。結果を下記表４に示す。

表４に示す結果から、プレス成形用ガラス素材の中心肉厚が１．９３ｍｍ、即ち肉厚変形量が０．４８ｍｍ以上であれば、プレス成形時に十分な転写性が得られるため面形状が良好な成形体が得られることがわかる。

Ｂ．精密プレス成形による肉厚１．６４ｍｍのガラスレンズの作製
上記Ａ．と同様の方法により、図２に示す凸メニスカス形状のガラスレンズ（ガラス成形体）として、レンズ径ｄ２＝９ｍｍ、中心肉厚ｔ２＝１．６４ｍｍのガラスレンズを得るためのプレス成形用ガラス素材１の中心肉厚ｔ１の下限値を求めたところ、約２．２０ｍｍと算出された。上記Ａ．と同様に中心肉厚が異なるプレス成形用ガラス素材の精密プレス成形を行い、得られた成形体の形状を、前述の方法で評価した。結果を下記表５に示す。

表５に示す結果から、プレス成形用ガラス素材の中心肉厚が約２．２０ｍｍ以上であれば、プレス成形時に十分な転写性が得られるため面形状が良好な成形体が得られることがわかる。

以上の結果から、本発明の肉厚決定方法により決定される肉厚のプレス成形用ガラス素材によれば、精密プレス成形により高品質なガラス光学素子を得ることが可能であることが示された。決定された肉厚下限値により近い値に肉厚を設定するほど、転写不良を起こさない範囲で肉厚を薄くすることができるため、プレス時の変形量は少なくなり、その結果、プレス時間を短縮することが可能となる。なお、上記Ａ．、Ｂ．で得られたガラス成形体は、外周部を研削加工により除去し、凸メニスカス形状の非球面ガラスレンズとすることもできる。

本発明は、ガラス光学素子の製造分野に有用である。

Claims (4)

1. 精密プレス成形用ガラス素材の肉厚決定方法であって、
   精密プレス成形により得ようとするガラス成形体と同一硝材からなり同一体積を有し、かつ該ガラス成形体よりも肉厚が厚いテスト用ガラス素材を、得ようとするガラス成形体の肉厚となるようにプレス成形するテストプレス成形を行うこと、
   上記テストプレス成形における肉厚変形量と変形速度との相関関係を示す近似直線を作成すること、
   を、少なくとも２種類の異なるプレス荷重において実施することにより、少なくとも２種類の上記近似直線を作成し、作成された近似直線の交点における肉厚変形量の値を、得ようとするガラス成形体の肉厚に足し合わせた値以上に、上記精密プレス成形用ガラス素材の肉厚を決定することを特徴とする、前記肉厚決定方法。
2. 原料ガラスを成形することにより精密プレス成形用ガラス素材を製造する方法において、
   請求項１に記載の方法により精密プレス成形用ガラス素材の肉厚を決定し、
   上記成形において、決定された肉厚を有する精密プレス成形用ガラス素材を作製する、精密プレス成形用ガラス素材の製造方法。
3. 請求項２に記載の製造方法により精密プレス成形用ガラス素材を作製すること、
   作製された精密プレス成形用ガラス素材を加熱し、軟化した前記ガラス素材を精密プレス成形することによりガラス成形体を得ることを含む、ガラス光学素子の製造方法。
4. 得られたガラス成形体の外周部を研削加工により除去することを含む、請求項３に記載のガラス光学素子の製造方法。

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