JP2011246326A - 光学素子の成形装置及び成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、プレス成形により得られる光学素子を、所望の形状に成形する光学素子の成形装置及び成形方法を提供する。
【解決手段】ガラス素材８０を収容してプレス成形可能な上型２１及び下型２２を有する成形型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３ａ及び３ｂと、軟化したガラス素材８０を成形型２により加圧して光学素子形状を付与するプレス手段４ａ及び４ｂと、成形型２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５ａ及び５ｂと、を有する光学素子の成形装置であって、冷却手段による冷却時に、ガラス素材８０の外周部を加熱する冷却時加熱手段６と、ガラス素材の冷却状態に応じて冷却時加熱手段６の温度を調節する温度調節手段７と、を有する光学素子の成形装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子の成形装置及び成形方法に係り、特に、ガラス素材をプレス成形して得られる光学素子を、所望の形状とすることができる光学素子の成形装置及び成形方法に関する。

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、簡便な操作により光学素子を得られることから、ガラス素材をプレス成形し、成形面を研磨せずにそのまま使用可能としたプレス成形方法が、よく用いられるようになっている。

このプレス成形方法は、ガラス素材を加熱軟化させてから、成形型により加圧プレスした後、冷却することにより所定形状の光学素子とするものである。このような成形方法に使用する装置は、高度な形状精度の光学素子を成形するため、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構成され、かつ、成形型の成形面形状が精密に加工されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特開２００６−１７６３５６号公報 特開２００８−１７９４８８号公報

これらの特許文献記載の方法は、プレス成形による光学素子の成形において、加熱軟化したガラス素材をプレス成形した後、冷却してガラス素材を固化させる際に、成形型を冷却することでガラス素材を冷却できるように構成されている。

しかしながら、光学素子の形状は光軸から外周部へ向かって厚みが変化しているため、このような冷却を行った場合、冷却が一様に行われず、ガラス素材の中央部と外周部で冷却速度にズレが生じてしまう冷却速度分布が生じてしまう。

例えば、両凸形状の光学素子を成形する際には、プレス後の冷却において、ガラス素材の中央部は厚いためその内部まで冷却しなければ十分に固化しないのに対し、外周部は薄いため中央部よりも冷却され易く、場所によって冷却速度が変わってくる。この冷却速度の違いにより、外周部が先に収縮して固化し、その後に中央部が冷却されて固化していくこととなり、外周部の収縮が光軸方向に対しても過度に生じ、求める光学素子形状と大きく異なる形状が形成される場合があった。そして、このような成形プロセスは光学素子の特性にまで影響を与える、形状不良を生じさせるという問題があった。

そこで、本発明は、上記の問題を解消するために、プレス成形により得られる光学素子を、所望の形状に成形することができるようにして、歩留まりを向上させることを可能とする光学素子の成形装置及び成形方法を提供することを目的とする。

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可能な上型及び下型を有する成形型と、前記成形型を加熱して該成形型内の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て、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、前記冷却手段による冷却時に、前記ガラス素材の外周部を加熱することができる冷却時加熱手段と、前記ガラス素材の冷却状態に応じて前記冷却時加熱手段の温度を調節する温度調節手段と、を有することを特徴とするものである。

また、本発明の光学素子の成形方法は、上型及び下型を有する成形型にガラス素材を収容し、前記成形型を加熱して該成形型内の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、プレス手段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、を有する光学素子の成形方法であって、前記冷却工程において、前記ガラス素材の冷却状態に応じて温度を調節しながら、ガラス素材の外周部を加熱する冷却時加熱工程を行うことを特徴とするものである。

本発明の光学素子の成形装置及び成形方法によれば、プレス成形後に、光学素子形状を付与したガラス素材を冷却、固化するに際して、ガラス素材の冷却温度をガラス素材の中央部と外周部で異なるように制御することができ、最終的に得られる光学素子の形状を所望の形状とすることができる。これにより、形状不良の発生を抑制し、光学素子の製造歩留まりを向上させることができる。

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動作を示した図である。 実施例１で得られた光学素子の表面形状について設計値との誤差を示した図である。 比較例１で得られた光学素子の表面形状について設計値との誤差を示した図である。 実施例２で得られた光学素子の表面形状について、アニール処理前における設計値との誤差を示した図である。 実施例２で得られた光学素子の表面形状について、アニール処理後における設計値との誤差を示した図である。 比較例２で得られた光学素子の表面形状について、アニール処理前における設計値との誤差を示した図である。 比較例２で得られた光学素子の表面形状について、アニール処理後における設計値との誤差を示した図である。

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工程の動作を示した図である。

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をプレス成形可能な上型、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す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を付与し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とから主に構成されている。

そして、この実施形態では、本発明の特徴である、冷却プレート５ａ及び５ｂ間には、この冷却プレートによってガラス素材を冷却する際に、ガラス素材の外周部を加熱する冷却時加熱手段６と、この冷却時加熱手段６の温度をガラス素材の冷却状態に応じて調節する温度調節手段７が設けられている。

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）を形成するものであるが、各ステージによる処理を順次円滑に行うことができるように、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ようになっている。すなわち、この実施形態における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を行う処理を行う型移動方式の成形装置である。

成形型２は、対向面が光学素子の成形面とされた上型２１、下型２２並びに上型２１及び下型２２の位置規制を行う胴型２３とから構成されている。さらに、この成形型２には、上型２１及び下型２２の上下位置を規制し、成形する光学素子の厚みを所定のものとするための肉厚調整部材２４が設けられている。

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。図１では、成形型として両凸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、両凹、平凸、平凹、凸メニスカス、凹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用いることができる。

加熱プレート３ａ及び３ｂは、ガラス素材８０を軟化溶融させるものであり、内部にはヒータが埋め込まれている。加熱プレート３ａ及び３ｂは、それぞれ上型２１、下型２２に接触して上型２１及び下型２２を加熱し、成形型内部に収容されているガラス素材８０を加熱する。

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ることにより上型２１と下型２２との距離を狭めて、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変形させる。これによって、上型２１及び下型２２の光学形成面形状がガラス素材８０に付与され光学素子が成形される。このとき、リング状の肉厚調整部材２４は胴型２３とプレスプレート４ａとの間に挟まり、光学素子の肉厚を所定の厚さとなるようにしている。プレスプレート４ａ及び４ｂの内部には、プレス工程を通じてガラス素材を軟化温度に維持するためのヒータが埋め込まれている。

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、固化させる。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、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を行うことができるように、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することができるように、温度及び圧力の制御手段を設けてもよい。なお、冷却は、光学素子形状が安定に付与されるようにガラス素材を固化させるためのもので、プレスプレートよりも５０〜１５０℃程度低い温度で行われる。したがって、ここでいう冷却温度は、依然として高温であるため、冷却プレート５ａ及び５ｂの内部にもヒータが埋め込まれている。

そして、本発明においては、この冷却プレート５ａ及び５ｂによる冷却時に、光学素子形状を付与されたガラス素材の外周部を加熱することができる冷却時加熱手段６と、この冷却時加熱手段６の温度調節を行うことができる温度調節手段７が設けられている。この冷却時加熱手段６は、従来、冷却時にガラス素材の中央部と外周部とで冷却速度が異なることにより生じていた不具合を、外周部を加熱することで低減させるものであり、温度調節手段７は、その加熱温度をガラス素材の冷却状態に応じて調節する。

ここで、冷却時加熱手段６としては、ガラス素材の外周部を加熱することができるものであれば特に制限されず、公知の加熱手段を用いることができ、例えば、コイル状の電熱ヒータ、ランプヒータ、高周波加熱源、セラミックヒータ等が挙げられる。このとき、外周部の加熱は一様に行うことが好ましいため、この冷却時加熱手段６は、成形型の周囲に等間隔で囲むように、すなわち円環状に形成されていることが好ましい。

冷却時加熱手段６は、ガラス素材の外周部を加熱するものであるから、その冷却時において、成形型の成形面を中心にして上下に幅を有して設けられることが好ましく、その幅は、成形される光学素子の最厚部分よりも長く構成されるものであって、冷却時の成形型の長さ（高さ）の１／２以上であること、特に１／１．５〜１／１．２の長さであることがより好ましい。

なお、ガラス素材の外周部の加熱は、実際には上型２１及び下型２２を通じて行うこととなるため、上記冷却時加熱手段６は、上型及び下型の成形面外周部を直接又は間接に加熱することができるように構成することが好ましい。図１及び２に記載したように、胴型を有する場合には、胴型を加熱することにより、上型２１及び下型２２を間接的に加熱し、さらにガラス素材８０の外周部を加熱できるようにすればよい。さらに好ましくは、胴型を加熱することによる胴型からの幅遮熱によりガラス素材８０の外周部を加熱できるようにすればよい。

温度調節手段７は、ガラス素材の冷却状態に応じてガラス素材の外周部の加熱状態を調節するものであり、具体的には、上記冷却時加熱手段６の加熱温度をガラス素材の冷却状態を見ながら調節する。このとき、ガラス素材の冷却状態は、上型及び下型の成形面近傍に熱電対等の温度検出手段を設け、この温度検出手段の温度変化をモニターしてフィードバックしたり、事前に冷却時加熱手段６による加熱を行わない場合において、ガラス素材の冷却状態の変化及び外周部の加熱によりガラス素材の温度が所望の状態となるような加熱温度を調べておき、それに合わせて温度変化するようにプログラムしたり、することで、冷却時加熱手段６の加熱温度を経時的に変化させるようにすればよい。

冷却工程及び冷却時加熱工程が終了したら、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。このような冷却をする際には、例えば、プレート内部に冷却水を循環させ水冷した水冷プレートを用いることができる。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され、芯取り加工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、通常、チャンバー内で、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気下、又は真空中で行うように構成される。

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、各工程の処理を行う場を、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。搬送された成形型２の下型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、このガラス素材は屈伏点以上に加熱されると変形が容易となる（図２（ａ））。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であることが好ましい。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、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。

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、ガラス素材の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間の距離を狭めることにより、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させることができる。

このプレスステージでは、上記したように成形型２の上下から圧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（図２（ｂ））。このとき、胴型２３とプレスプレート４ａとの間に肉厚調整部材２４が挟まり、上型２１と下型２２の間隔を所定の間隔に調整し、成形される光学素子を所望の厚みとすることができる。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、プレス時の圧力は２．５〜３７．５Ｎ／ｍｍ^２とすることが好ましく、例えば、１０〜１５Ｎ／ｍｍ^２であることが特に好ましい。

そして、プレス工程で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。

冷却ステージに搬送された成形型２は、冷却プレート５ｂ上に載置され、さらに冷却プレート５ａを上型２１と接触させることで冷却される。成形型２の冷却によりガラス素材８０をも冷却され、これを固化させる。この冷却は、ガラス素材のガラス転移点（Ｔｇ）以下にまで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。この冷却工程では、肉厚調整部材２４の内径よりも小さい凸状の突起部（上型２１との接触冷却部）を有するプレート形状とし、この冷却プレート５ａで押圧することで上型２１によりガラス素材を加圧しながら冷却をしてもよい。

なお、このとき、そのまま成形型２からの熱伝導だけで冷却を行うと、本実施形態のように両凸レンズの成形を行う場合には、その成形されたガラス素材８０の中央部が肉厚で、外周部は肉薄になっているため、肉薄な外周部が先に冷却されやすく、さらに胴型外周側面からの放熱によって金型外周部の冷却が早く進むことにより、ガラス素材の中央部と外周部で冷却速度が異なることとなる。そうすると、外周部は冷却速度が速く先に固化し、中央部はそれよりも緩やかに冷却され後から固化することになる。このような冷却速度の違いが、ガラス素材の収縮量の不均一につながり、光学素子形状が所望の形状とは異なってしまい、稀に光学性能に欠陥を生じてしまう場合があった。なお、本明細書においてガラス素材の中央部とは、光学素子形状が付与されたガラス素材８０の光軸中心部分及びその周辺を指し、外周部とは、光学素子形状が付与されたガラス素材８０の光学素子形状の最外周部分及びその周辺を指すものである。

本発明は、この冷却ステージにおいて、ガラス素材を冷却すると同時に、その外周部を冷却時加熱手段６により加熱して、ガラス素材の外周部を従来よりも温めることで、中央部と外周部の温度を同程度又は外周部の温度を高いものとして、所望の光学素子形状が得られるようにしたものである。これらの温度が同程度とは、その温度差が０〜５℃の温度範囲に入っていることをいい、外周部の温度の方を高くする場合には、中央部よりも５〜２０℃程度高い温度とすることが好ましい。

このとき、上記した温度差を維持するようにして冷却するか、外周部の方が緩やかに冷却されるようにすることが好ましく、冷却時加熱手段６はガラス素材８０の冷却状態に応じて徐々に加熱温度が下がるように調節手段７により温度の調節が行われる。

なお、このように冷却することは、成形したガラス素材の中央部が肉厚で外周部が肉薄な、平凸形状、凸メニスカス形状の光学素子を成形する際にも同様に適用することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、両凸形状の光学素子についての成形について説明したが、本実施形態では、凹メニスカス形状の光学素子を成形する場合について説明する。本実施形態は、成形型の光学素子の成形面が凹メニスカス形状であること以外は、図１の構成と同一の光学素子の成形装置を用いるものである。

なお、凹メニスカス形状とすることで、その光学素子の冷却時の挙動が両凸形状とは異なるものとなるため、以下、その点を中心に説明する。

凹メニスカス形状の光学素子の場合、プレス工程後のガラス素材の中央部が肉薄で外周部は肉厚になっているため、第１の実施形態とはその冷却の態様が逆になる。しかしながら、両凸形状の場合は、外周部が先に冷却されると、何の制限もなく収縮が生じるが、凹メニスカス形状の場合には、中央部が先に冷却されても、外周部が肉厚で成形型により動きが制限されるため、光軸中心方向への収縮が生じて光学素子形状が所望の形状と大きく異なるような問題は生じない。

しかしながら、凹メニスカス形状の場合には、中央部が薄く、外周部が厚くなっているため、その厚みの差によって冷却時の収縮量の差が生じてしまう。すなわち、中央部では収縮量が少なく、外周部では収縮量が大きくなり、その収縮量の差によって、光学素子の金型への転写性や離型性に変化が生じ、得られる光学素子の形状を所望の形状とは異なったものとしてしまう。

このとき、ガラス素材の中央部よりも外周部の冷却速度を遅くすることで、中央部と外周部での歪の度合いが変わるように冷却させていくことが好ましい。これは、中央部の冷却を速めることで中央部の歪が従来の冷却よりも大きくなるようにさせると、この冷却後のアニール工程による歪の除去の際に、最終的に得られる光学素子形状が所望の形状により近いものとなるためである。

すなわち、中央部と外周部を同じ冷却速度で冷却した場合、肉厚の外周部はガラスの変形量（収縮量）が大きいため、肉薄の中央部より歪が大きくなる。そこで、中央部の冷却速度を上げることで、肉薄の中央部の歪をあえて大きくし、外周部と中央部の歪を揃え、レンズ全体の歪バラツキを減らすことができる。そうすることでアニールによって歪が解放された際の変形量がレンズ全体で同じになり、アニール前後での形状変化をレンズ内で均一にすることができる。

したがって、ガラス素材の中央部の冷却速度を速く、外周部の冷却速度を中央部よりも遅くするようにして、外周部よりも中央部の歪の度合いが大きくなるように冷却することが好ましい。このとき、例えば、中央部の冷却速度を０．１１〜１．２５℃／秒、外周部の冷却速度を０．１〜１℃／秒とすることが好ましく、冷却速度の差が０．０１〜０．２５℃／秒となるようにすることが好ましい。

このとき生じた歪は、冷却、固化したガラス素材を、アニール工程に付すことで除去することができる。このアニール工程によって、上記のように光学的な歪を除去するとともに、中央部と外周部における収縮量の差による光学素子の形状の歪みが補正され、所望の形状により近いものとなる。

なお、上記した第１の実施形態及び第２の実施形態で記載した加熱工程及び冷却工程は、それぞれ段階的に温度を変化させるようにして行うことが好ましく、加熱工程を１以上の加熱ステージを設けて行うことにより、段階的にガラス素材の温度を上昇させて、プレスステージの直前の加熱ステージにおいて、成形温度にまでもっていくようにすることが好ましい。また、冷却工程においても１以上の冷却ステージを設けることにより、段階的にガラス素材の温度を下降させて、２００℃以下の温度になるようにすることが好ましい。

このように、加熱及び冷却を段階的に行うことで、ガラス素材の急激な温度変化を抑制し、歪が生じたり、面ワレ等が生じたりする等の光学素子の特性を悪化させることがないようにすることができる。ここで面ワレとは、光学素子が成形型から離型する際に、一部だけが先に離型し、その後に残りが離型した場合に、曲率が不連続な光学面が形成されて非球面形状精度が悪化する不良が生じる離型異常のことを言う。

なお、上記した第１の実施形態及び第２の実施形態では、型移動式の成形について記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、型固定式の成形においても、冷却時にガラス素材の外周部を加熱することができるものも含むものである。

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）
光学素子の成形装置として、加熱手段として第１〜第３の加熱プレートと、プレス手段と、冷却手段として第１〜第３の冷却手段を有する成形装置を用いた。この成形装置は、ガラス素材の加熱、プレス及び冷却を順次行うことができ、その際、加熱及び冷却を段階的に行うことができるようになっている。こ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図２の操作を参照しながら、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、プレス成形により、直径３０ｍｍ、中心厚さ６．５ｍｍ、周辺厚さ３ｍｍの両凸形状の光学素子が得られるものである。

上型は胴部の直径が４６ｍｍ、フランジ部の直径が４８ｍｍ、厚みが４ｍｍ、下型胴部の直径が４６ｍｍ、フランジ部の直径が５４ｍｍ、厚みが４ｍｍ、胴型は円筒形状であり内径が４６ｍｍ、外径が５４ｍｍ、高さが５０ｍｍである。なお、プレス時及び冷却時の上型の上端から下型の下端までの長さは５８．５ｍｍである。

冷却時加熱手段としては、直径７０ｍｍのコイル状にした電熱ヒータを胴型の外周部に均等に加熱できるように、かつ、冷却時の上型及び下型の成形面を中心に上下にも均等に加熱できるように、第１の冷却ステージにおいて配置した。このときコイル状ヒータの幅（高さ）は４０ｍｍのものを用いた。

この成形型の内部に直径φ２５ｍｍ、中心厚さ８ｍｍのホウケイ酸ガラスからなる研削研磨により製作した光学素子成形素材を収容した。なお、このガラス素材の歪点は４９５℃、ガラス転移点（Ｔｇ）は５３２℃、屈伏点（Ａｔ）は５７３℃である。

ガラス素材を収容した成形型を、搬送手段により第１の加熱プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第１の加熱プレートを下降させて上型に接触させ、成形型及びガラス素材を３００秒間加熱し、次いで、第２の加熱プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第２の加熱プレートを下降させて上型に接触させ、成形型及びガラス素材を３００秒間加熱し、さらに、下側の第３の加熱プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第３の加熱プレートを下降させて上型に接触させ、成形型及びガラス素材を３００秒間加熱してガラス素材を軟化状態とした。なお、第１の加熱プレートは２８０℃、第２の加熱プレートは５００℃、第３の加熱プレートは６００℃に設定した。

次に、成形型をプレスプレート上に搬送し載置して、上側のプレスプレートを下降させ、プレスした。この成形時のプレス圧力は５Ｎ／ｍｍ^２、プレス時間は２５０秒とした。このとき、プレスプレートの温度は６００℃であった。

プレス後、成形型を第１の冷却プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第１の冷却プレートを下降させて上型に接触させ、３００秒間冷却した。このとき第１の冷却プレートの温度は５００℃に設定した。上側の第１の冷却プレートと成形型が接触して５秒後から、冷却時加熱手段を５９５℃から冷却速度が０．３２℃／秒となるように温度調節しながら、ガラス素材の中央部と外周部の温度が同程度になるように、ガラス素材の冷却を行った。第１の冷却プレートでの冷却を終え、第２の冷却プレートに移動する間際の金型温度は中央部が５００℃、外周部が５０１℃であった。

次いで、成形型を第２の冷却プレート上に搬送し裁置すると同時に上側の第２の冷却プレートを下降させて上型に接触させ、３００秒間冷却し、さらに、成形型を第３の冷却プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第３の冷却プレートを下降させて上型に接触させ、３００秒間冷却した。このとき、第２の冷却プレートは ４５０℃、第３の冷却プレートは２０℃（冷却水温度）に設定した。

ガラス素材が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、アニール処理を行い、光学素子を得た。このとき、アニール処理は、室温から４８０℃まで２時間、４８０℃から５０５℃まで３０分かけてゆっくり加熱し、５０５℃にて３時間保持した後、２０℃／ｈの降温速度で７時間かけて徐冷することで行った。

（比較例１）
第１の冷却ステージにおいて、冷却時加熱手段を用いない以外は実施例１と同様の操作により、光学素子の成形を行った。

上記実施例１及び比較例１で得られた光学素子について、従来例である比較例１に対し、冷却ステージ上で金型外周部を加熱し、ガラス素材の冷却を中央部と外周部で制御した実施例１では、外周部分のワレが抑制され、面ワレの発生も減少した。さらに、成形する光学素子の形状精度も改善された。

（実施例２）
成形型を凹メニスカス形状の光学素子を成形できるものにした以外は、実施例１と同一構成の光学素子の成形装置を用いて以下の操作を行った。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、プレス成形により、直径３０ｍｍ、中心厚さ３ｍｍ、周辺厚さ８ｍｍの凹メニスカス形状の光学素子が得られるものである。

上型は胴部の直径が４６ｍｍ、フランジ部の直径が４８ｍｍ、厚みが４ｍｍ、下型胴部の直径が４６ｍｍ、フランジ部の直径が５４ｍｍ、厚みが４ｍｍ、胴型は円筒形状であり内径が４６ｍｍ、外径が５４ｍｍ、高さが５０ｍｍである。なお、プレス時及び冷却時の上型の上端から下型の下端までの長さは５８．５ｍｍである。

冷却時加熱手段としては、直径７０ｍｍのコイル状にした電熱ヒータを胴型の外周部に均等に加熱できるように、かつ、冷却時の上型及び下型の成形面を中心に上下にも均等に加熱できるように、第１の冷却ステージにおいて配置した。このときコイル状ヒータの幅（高さ）は４０ｍｍのものを用いた。

この成形型の内部に直径φ２２ｍｍ、中心厚さ６ｍｍのホウケイ酸ガラスからなる研削研磨により製作した光学素子成形素材を収容した。なお、このガラス素材の歪点は４９５℃、ガラス転移点（Ｔｇ）は５３２℃、屈伏点（Ａｔ）は５７３℃である。

ガラス素材を収容した成形型を、搬送手段により第１の加熱プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第１の加熱プレートを下降させて上型に接触させ、成形型及びガラス素材を４００秒間加熱し、次いで、第２の加熱プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第２の加熱プレートを下降させて上型に接触させ、成形型及びガラス素材を４００秒間加熱し、さらに、下側の第３の加熱プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第３の加熱プレートを下降させて上型に接触させ、成形型及びガラス素材を４００秒間加熱してガラス素材を軟化状態とした。なお、第１の加熱プレートは２８０℃、第２の加熱プレートは５００℃、第３の加熱プレートは６００℃に設定した。

次に、成形型をプレスプレート上に搬送し載置して、上側のプレスプレートを下降させ、プレスした。この成形時のプレス圧力は５Ｎ／ｍｍ^２、プレス時間は３５０秒とした。このとき、プレスプレートの温度は６００℃であった。

プレス後、成形型を第１の冷却プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第１の冷却プレートを下降させて上型に接触させ、４００秒間冷却した。このとき第１の冷却プレートの温度は５００℃に設定した。上側の第１の冷却プレートと成形型が接触して５秒後から、冷却時加熱手段を５９５℃から冷却速度が０．２℃／秒となるように温度調節しながら、ガラス素材の中央部と外周部の温度が同程度になるように、ガラス素材の冷却を行った。第１の冷却プレートでの冷却を終え、第２の冷却プレートに移動する間際の金型温度は中央部が５００℃、外周部が５１５℃であった。

次いで、成形型を第２の冷却プレート上に搬送し裁置すると同時に上側の第２の冷却プレートを下降させて上型に接触させ、４００秒間冷却し、さらに、成形型を第３の冷却プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第３の冷却プレートを下降させて上型に接触させ、４００秒間冷却した。このとき、第２の冷却プレートは ４５０℃、第３の冷却プレートは２０℃（冷却水温度）に設定した。

ガラス素材が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、アニール処理を行い、光学素子を得た。このとき、アニール処理は、室温から４８０℃まで２時間、４８０℃から５０５℃まで３０分かけてゆっくり加熱し、５０５℃にて３時間高温保持した後、２０℃／ｈの降温速度で７時間かけて徐冷することで行った。

（比較例２）
プレスステージにおいて、冷却時加熱手段を用いない以外は実施例２と同様の操作により、光学素子の成形を行った。

上記実施例２及び比較例２で得られた光学素子を比較すると、従来例である比較例２に対し、冷却ステージ上で金型外周部を加熱し、中央部よりも外周部の冷却速度を遅らせた実施例２では、アニール後の形状変化に伴って発生する形状不良を抑えることができ、アニール前後において、所望の形状を得ることができた。

（試験例）
なお、実施例及び比較例で得られた光学素子の形状精度については、設計値との誤差をＵＡ３Ｐ（パナソニック株式会社製、商品名）にて調べた。設計値との誤差について得られた結果を、図３（実施例１−アニール後）、図４（比較例１−アニール後）、図５（実施例２−アニール前）、図６（実施例２−アニール後）、図７（比較例２−アニール前）、図８（比較例２−アニール後）に示した。ここで言う設計値との誤差とは、設計値から球面（曲率）成分を除いた誤差を示し、レンズ中心を基準に十字方向に測定したデータである。なお、このとき測定した十字方向は、光学素子の成形操作において、成形型の搬送方向と（搬送方向に対する）左右方向に合うように測定を行った。
この結果から、従来例である比較例に対して、ガラス素材外周部の温度調節を行った実施例では、最終的に得られる光学素子の形状精度を大幅に改善できることがわかった。したがって、本発明により歩留まりを向上させることができる。

本発明の光学素子の成形装置及び成形方法は、プレス成形により光学素子を製造する際に用いることができる。

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…冷却時加熱手段、７…温度調節手段、２１…上型、２２…下型、２３…胴型、２４…肉厚調整部材、８０…ガラス素材

Claims (10)

1. ガラス素材を収容してプレス成形可能な上型及び下型を有する成形型と、該成形型を加熱して該成形型内の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、を有する光学素子の成形装置であって、
   前記冷却手段による冷却時に、前記ガラス素材の外周部を加熱する冷却時加熱手段と、前記ガラス素材の冷却状態に応じて前記冷却時加熱手段の温度を調節する温度調節手段と、を有することを特徴とする光学素子の成形装置。
2. 前記成形型が、上型、下型及び胴型からなるものであり、前記冷却時加熱手段が、前記胴型を加熱することにより、間接的にガラス素材の外周部を加熱できることを特徴とする請求項１記載の光学素子の成形装置。
3. 前記冷却時加熱手段の幅が、前記冷却時における前記上型の上端から下型の下端までの高さの１／１．５〜１／２であることを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子の成形装置。
4. 前記成形型により得られる光学素子が、両凸形状の光学素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素子の成形装置。
5. 前記ガラス素材の外周部の温度を、前記ガラス素材の中央部よりも０〜２０℃高い温度に維持するように、前記冷却時加熱手段の加熱温度を調節する温調手段を有することを特徴とする請求項４記載の光学素子の成形装置。
6. 前記成形型により得られる光学素子が、凹メニスカス形状の光学素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素子の成形装置。
7. 前記ガラス素材の外周部の温度の冷却速度を、前記ガラス素材の中央部の冷却速度よりも緩やかになるように、前記冷却時加熱手段の加熱温度を調節する温調手段を有することを特徴とする請求項６記載の光学素子の成形装置。
8. 上型及び下型を有する成形型にガラス素材を収容し、前記成形型を加熱して該成形型内の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、プレス手段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、を有する光学素子の成形方法であって、
   前記冷却工程において、前記ガラス素材の冷却状態に応じて温度を調節しながら、ガラス素材の外周部を加熱する冷却時加熱工程を行うことを特徴とする光学素子の成形方法。
9. 前記成形型により得られる光学素子が両凸形状の光学素子であり、前記冷却時加熱工程において、前記ガラス素材の外周部の温度を、前記ガラス素材の中央部よりも０〜２０℃高い温度を維持するように加熱温度を調節することを特徴とする請求項８記載の光学素子の成形方法。
10. 前記成形型により得られる光学素子が、凹メニスカス形状の光学素子であり、前記冷却時加熱工程が、前記ガラス素材の外周部の温度の冷却速度を、前記ガラス素材の中央部の冷却速度よりも緩やかになるように加熱温度を調節することを特徴とする請求項８記載の光学素子の成形方法。

Images