JP2011184257A - ガラスレンズ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明によればＢｉ₂Ｏ₃を含むガラス材料を用い、かつ、ガラスレンズ表面の白濁発生を低減するガラスレンズ製造方法を提供する。
【解決手段】上型と下型と胴型を含む成形型を用いたガラスレンズ製造方法であって、Ｂｉ₂Ｏ₃を含むプリフォーム原材料を成形型の加工面形状に合わせて研削・研磨加工するステップと、その後、プリフォーム硝材をプリフォーム硝材のガラス転移温度（Ｔｇ）以上、屈伏温度（Ｔｓ）以下の温度でアニールするステップと、その後、プリフォーム硝材２を成形型で加圧加工するステップと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、成形型により成形されるガラスレンズ製造方法に関する。

近年、ガラスレンズからの入射光をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔｅ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの固体撮像素子を用いて撮像し、電気信号に変換後、画像として取り出せるようにした撮像装置が広く用いられている。また、レンズ交換式ＤＳＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｔｉｌｌ Ｃａｍｅｒａ）や固定レンズ式ＤＳＣ、ムービーなどの携帯用機器の小型化、高性能化の要求に伴い、撮像装置の主要部品であるレンズ鏡筒の小型化、軽量化、薄型化が一層求められている。一般に、レンズ鏡筒は、複数のガラスレンズをズーム、フォーカスなどそれぞれの機能単位の一群とした複数のレンズ群から構成されている。

近年、ガラスレンズは、上型と下型と胴型とから構成される成形型を用いた量産性に優れる加圧成形法によって製造されることが多くなってきた。具体的には、まず、ガラス材料の歪みを除去するために、ガラス材料にアニールが施される。次に、ガラス材料が下型に載置される。次に、ガラス材料が上型によって加圧加工されレンズ原形が形成される。その後、レンズ原形は、成形型から取り出され、切削などの加工が施される。このようにして、ガラスレンズが形成される。

このようなガラス材料は、例えば特許文献１に開示されている。また、ガラス材料を用いたガラスレンズ製造方法は、例えば特許文献２に開示されている。

特開２００８−１１０８９７号公報 特開２００６−１６２８６号公報

従来、ガラスレンズの材料として、鉛が用いられてきた。しかし、環境への影響などが考慮され、鉛の代わりに二酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）が用いられつつある。

一方、Ｂｉ₂Ｏ₃は、鉛と比較して不安定なため、酸素が解離して金属状態のビスマス（Ｂｉ）に変化し易いという性質を持つ。金属状態のＢｉは、成形型による加工の際に、ガラス材料に圧力がかかり、ガラス材料が変形するのでガラスレンズの表面に析出しやすい。よってガラスレンズの表面に白濁が発生するといった問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、Ｂｉ₂Ｏ₃を含むガラス材料を用い、かつ、ガラスレンズ表面の白濁発生を低減することが可能なガラスレンズ製造方法を提供することを目的とする。

本発明のガラスレンズ製造方法は、成形型を用いたガラスレンズ製造方法であって、Ｂｉ₂Ｏ₃を含むガラス材料を成形型の加工面形状に合わせて加工するステップと、その後、ガラス材料をガラス材料のガラス転移温度以上、屈伏温度以下の温度でアニールするステップと、その後、ガラス材料を成形型で加圧加工するステップと、を含む。

このような方法によれば、成形型による加圧加工前に、予め、ガラス材料が成形型の加工面形状に合わせて加工されている。したがって、加圧加工するステップにおけるガラス材料の変形量が少なくなる。また、加圧加工するステップの前に、Ｂｉ₂Ｏ₃の一部の酸素が解離して金属状態のＢｉに変化したとしても、ガラス材料をアニールするステップによって、Ｂｉが再びＢｉ₂Ｏ₃に変化する。したがって、加圧加工するステップを経た後でもガラスレンズの表面に析出する金属状態のＢｉ量を低減できる。

本発明によれば、Ｂｉ₂Ｏ₃を含むガラス材料を用い、かつ、ガラスレンズ表面の白濁発生を低減することが可能なガラスレンズ製造方法を提供することが可能になる。

本実施の形態におけるガラスレンズの製造フローチャート 同プリフォーム原材料の概略図 同プリフォーム硝材の概略断面図 同プリフォーム原型の概略断面図

（実施の形態）
［１．ガラス材料］
本実施の形態に用いられるガラス材料は、Ｂｉ₂Ｏ₃を含む。ガラス材料は、好ましくは、Ｂｉ₂Ｏ₃を主成分とする。Ｂｉ₂Ｏ₃は、高屈折率、高分散のガラスレンズを得るために必要である。また、Ｂｉ₂Ｏ₃は、ガラス材料のガラス転移温度（Ｔｇ）を下げ、ガラスレンズの機械的強度および化学的安定性を向上させるために必要である。しかし、Ｂｉ₂Ｏ₃は、含有量が多すぎるとガラスレンズの透過率を低下させてしまうことがある。また、Ｂｉ₂Ｏ₃は、含有量が少なすぎると高い屈折率が得られなくなり光学設計として必要とする光学特性を得ることが困難になる。したがって、ガラス材料におけるＢｉ₂Ｏ₃は、質量％で表される含有量が、４０％以上、８０％以下が好ましい。本実施の形態に用いられるガラス材料は、質量％で表される含有量が、Ｂｉ₂Ｏ₃を７０％、酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）を１０％、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を１０％、三酸化二ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）を５％、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）を５％含む。

本実施の形態に、一例として、用いられるガラス材料の屈折率は、１．９５（５８８ｎｍ）である。Ｔｇは、４６０℃である。屈伏温度（Ｔｓ）は、４９０℃である。透過率は、９８％（５５０ｎｍ）である。

［２．ガラスレンズの製造方法］
図１に示すフローチャートに沿って、ガラスレンズの製造方法について説明する。

［２−１．ステップ１ 準備］
ステップ１では、ガラス材料であるプリフォーム原材料１が準備される。具体的には、例えば、ガラスカレットなどのガラス原材料を熔解して作られた円柱状の硝材ブロックが研削機によりスライスされ、図２に示すように、円板状のプリフォーム原材料１が準備される。なお、プリフォーム原材料１として、球状のゴブ材、直方体などを用いることができる。

［２−２．ステップ２ 研削・研磨］
ステップ２では、プリフォーム原材料１が研削・研磨加工される。具体的には、成形型の加工面形状に合わせて、プリフォーム原材料１の形状が加工される。

図３に示すように、例えば、両面が凸面のガラスレンズを製造する場合には、プリフォーム原材料１の両面が凸面に加工される。まず、プリフォーム原材料１が、カーブジェネレータにより、研削される。カーブジェネレータは、ＮＣ２軸制御された筒型の砥石を有する。また、砥石にはダイヤモンドがコーティングされている。すなわち、ダイヤモンドにより、プリフォーム原材料１が所定の形状になるように削られ、ガラス材料であるプリフォーム硝材２が形成される。この時、プリフォーム硝材２は、完成時のガラスレンズ形状に近いほど、後述する加圧加工ステップでの変形量が少なく、ガラスレンズの形状ばらつきが低減される。

研削加工されたプリフォーム硝材２の表面は粗いので、次に、ダイヤモンド砥粒を含む研磨剤などにより、プリフォーム硝材２の表面が研磨される。次に、洗浄機により研磨時にプリフォーム硝材２に付着した研磨砥粒が除去される。洗浄機は、薬液を有する洗浄剤槽、水洗浄槽、アルコール洗浄槽、乾燥槽などの複数の槽を有する。プリフォーム硝材２の表面状態、すなわち、付着物の状態により、使用する槽が適宜選択される。

［２−３．ステップ３ アニール］
ステップ３では、プリフォーム硝材２に存在する金属状態のＢｉをＢｉ₂Ｏ₃に変化させるために、プリフォーム硝材２がアニールされる。具体的には、プリフォーム硝材２が電気炉により大気中でＴｇ（４６０℃）以上、Ｔｓ（４９０℃）以下の温度範囲でアニールされる。

まず、プリフォーム硝材２が複数のＳＵＳ製のポールで構成されたアニール治具上に、プリフォーム硝材２の側端部が支持されるように載置される。次に、大気開放された室温のバッチ式電気炉に、プリフォーム硝材２がアニール治具ごとを挿入される。次に、電気炉内部がヒータ加熱によって、室温から４８０℃まで、３時間かけて昇温される。続いて、電気炉内部が４８０℃で１時間保持される。保持時間は、プリフォーム硝材２の大きさ（直径、厚み）、材料組成などにより適宜選択される。

本実施の形態においては、プリフォーム硝材２の大きさが、直径１３ｍｍ、中心厚み２．５ｍｍであり、保持時間としては１時間が好ましい。続いて、電気炉内部が４８０℃から室温まで３時間かけて降温される。続いて、プリフォーム硝材２がアニール治具ごと電気炉から取り出される。

また、金属状態のＢｉを活性化させ、Ｂｉ₂Ｏ₃に変化させるためにはアニール温度は高い方が好ましい。しかし、Ｔｓを超えると、プリフォーム硝材２が軟化し、自身の重みでアニール治具に付着する。よって、屈伏温度以下でアニールすることが好ましい。次に、アニールによって、プリフォーム硝材２の表面に付着した汚れなどが洗浄機により除去される。

［２−４．ステップ４ 加圧加工］
ステップ４では、プリフォーム硝材２が、両面が凸面のガラスレンズ形状になるように、成形型で加圧加工される。本実施の形態に用いられる成形型は、上型と下型と胴型とから構成される。具体的には、例えば、非球面形状の凹面の加工面を有する上型と、球面形状の凹面の加工面を有する下型とが用いられる。まず、固定された下型の加工面上にプリフォーム硝材２が載置される。次に、上型と下型の加工面の軸心が合わせられる。次に、上型を上下に摺動可能に保持する胴型が下型に被せられる。次に、上型が胴型の上に被せられる。次に、成形型が、電気ヒータにより、プリフォーム硝材２のＴｓ以上である５１０℃に加熱される。次に、上型が２ｋＮの力で油圧シリンダなどにより押圧される。プリフォーム硝材２が下型と上型とで加圧加工されることにより、両面が凸面のガラスレンズ形状が形成される。次に、成形型が室温まで冷却される。その後、図４に示すように、成形型から両面が凸面のガラスレンズ原形３が取り出される。

［２−５．ステップ５ 芯取り］
ステップ５では、ガラスレンズ原形３が研削装置により芯取りされる。具体的には、まず、ガラスレンズ原形３の中心が両面から研削装置に固定される。次に、ガラスレンズ原形３が回転され、ダイヤモンド砥石により、光学機能面（本実施の形態においては凸面）の軸心がガラスレンズ原形３の中心になるようにガラスレンズ原形３の外周が研磨される。さらに、ガラスレンズの設計寸法になるように、ガラスレンズ原形３の外周が研磨される。次に、研磨によって、ガラスレンズ原形３の表面に付着した汚れなどが洗浄機により除去される。

［２−６．ステップ６ 蒸着］
ステップ６では、ガラスレンズ原形３の表面に反射防止膜が形成される。具体的には、まず、ガラスレンズ原形３が蒸着治具に載置される。次に、ガラスレンズ原形３が蒸着治具ごと蒸着用の真空チャンバーに挿入される。続いて、ガラスレンズ原形３に所定の薄膜が蒸着されることにより、ガラスレンズが完成する。反射防止膜によってガラスレンズ面の反射によるフレアが低減される。

［２−７．ステップ７ 検査］
ステップ７では、ガラスレンズが目視検査される。具体的には、透過するガラスの背景を白色あるいは黒色とし、蛍光灯の照明のもとでガラスレンズにゴミ、汚れなどが無いか、白濁していないかなどを検査する。検査の結果、良品と判定されたガラスレンズは、次工程に送られる。不良品と判定されたガラスレンズは、廃棄またはリペアされる。

［３．実施例］
ステップ３のアニール時間を一定として、アニール温度がガラスレンズに与える影響を調査した。評価は、ガラスレンズに発生する白濁の有無によって行われた。さらに、ガラス材料の表面におけるＢｉのモル％で表される含有量が、ガラス材料の表面におけるＢｉのモル％で表される含有量とガラス材料の表面におけるＢｉ₂Ｏ₃のモル％で表される含有量の和に対する値として測定された。測定装置にはＸＰＳ（アルバック・ファイ社製 Ｑｕａｎｔｕｍ−２０００）が用いられた。

結果が以下の表１に示される。

実施例１から実施例３は、本実施の形態で用いられたガラス材料のＴｇ（４６０℃）以上、Ｔｓ（４９０℃）以下である４８０℃でアニールされたガラスレンズである。表１に示されるように、実施例１から実施例３におけるガラスレンズには白濁は発生しなかった。また、実施例１から実施例３におけるガラスレンズの表面に存在する金属状態のＢｉ量は、１０％以下であった。

比較例１は、本実施の形態で用いられたガラス材料のＴｇ（４６０℃）未満である４５０℃でアニールされたガラスレンズである。比較例１のガラスレンズは、白濁が発生した。また、比較例１のガラスレンズの表面に存在する金属状態のＢｉ量は、１０％を超え、１１．５％であった。

比較例２は、本実施の形態で用いられたガラス材料のＴｓ（４９０℃）を超える４９５℃でアニールされたガラスレンズである。比較例２のガラスレンズは、所定の形状が得られなかった。

比較例３は、本実施の形態で用いられたガラス材料のＴｇ（４６０℃）以上、Ｔｓ（４９０℃）以下である４８０℃でアニールされたガラスレンズである。しかしアニール前のステップ２が省略されている。比較例３のガラスレンズは、白濁が発生した。また、比較例３のガラスレンズの表面に存在する金属状態のＢｉ量は、１０％を超え、１０．９％であった。

比較例４は、アニールされなかったガラスレンズである。比較例４のガラスレンズは、白濁が発生した。また、比較例３のガラスレンズの表面に存在する金属状態のＢｉ量は、１０％を超え、１２．２％であった。

以上のように、ガラス材料の表面におけるＢｉのモル％で表される含有量は、ガラス材料の表面におけるＢｉのモル％で表される含有量とガラス材料の表面におけるＢｉ₂Ｏ₃のモル％で表される含有量の和に対して、１０％以下が好ましい。

［４．まとめ］
本実施の形態におけるガラスレンズの製造方法は、成形型を用いたガラスレンズ製造方法であって、Ｂｉ₂Ｏ₃を含むプリフォーム原材料１を成形型の加工面形状に合わせて研削・研磨加工するステップと、その後、プリフォーム硝材２をプリフォーム硝材２のガラス転移温度（Ｔｇ）以上、屈伏温度（Ｔｓ）以下の温度でアニールするステップと、その後、プリフォーム硝材２を成形型で加圧加工するステップと、を含む。

このような方法によれば、成形型による加圧加工前に、予め、プリフォーム原材料１が成形型の加工面形状に合わせて加工されているので、加圧加工するステップにおけるプリフォーム硝材２の変形量が少なくなる。また、加圧加工するステップの前に、Ｂｉ₂Ｏ₃の一部の酸素が解離して金属状態のＢｉに変化したとしても、プリフォーム原材料１をアニールするステップによって、金属状態のＢｉが再びＢｉ₂Ｏ₃に変化する。したがって、加圧加工するステップを経た後でもガラスレンズの表面に析出する金属状態のＢｉ量を低減できる。

［５．その他の実施の形態］
上述のように、本発明の実施の形態が例示された。しかし、本発明は、これには限られない。そこで本発明の他の実施の形態が、以下に説明される。なお、本発明は、これらには限定されず、適宜修正された他の実施の形態に対しても適用可能である。

実施の形態では、ステップ３において大気中でプリフォーム硝材２がアニールされた。しかし本発明は、これには限られない。例えば、酸素雰囲気などの酸化性雰囲気でプリフォーム硝材２がアニールされてもよい。このような方法によれば、金属状態のＢｉが再びＢｉ₂Ｏ₃に変化する量が増加する。したがって、ガラスレンズの白濁の発生がより低減される。

本発明によれば、Ｂｉ₂Ｏ₃を含むガラス材料を用い、かつ、ガラスレンズ表面の白濁発生を低減することが可能なガラスレンズ製造方法を提供できる。したがって、本発明は、レンズ鏡筒などの光学部品を製造する上で広く有用である。

１ プリフォーム原材料
２ プリフォーム硝材
３ ガラスレンズ原形

Claims (3)

1. 成形型を用いたガラスレンズ製造方法であって、
   Ｂｉ₂Ｏ₃を含むガラス材料を前記成形型の加工面形状に合わせて加工するステップと、
   その後、前記ガラス材料を前記ガラス材料のガラス転移温度以上、屈伏温度以下の温度でアニールするステップと、
   その後、前記ガラス材料を前記成形型で加圧加工するステップと、
   を含む、ガラスレンズ製造方法。
2. 前記ガラス材料は、Ｂｉ₂Ｏ₃を主成分とする、
   請求項１に記載の製造方法。
3. 前記ガラス材料を前記成形型で加圧加工するステップにおいて、
   前記ガラス材料の表面におけるＢｉのモル％で表される含有量が、前記ガラス材料の表面におけるＢｉのモル％で表される含有量と前記ガラス材料の表面におけるＢｉ₂Ｏ₃のモル％で表される含有量の和に対して、１０％以下である、
   請求項１または２のいずれか一項に記載の製造方法。

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