JP2533889B2 - 光学素子製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高精度の光学素子をプレス成形により製造
する方法に関する。

（従来の技術） 近年、ガラスや熱可塑性樹脂を高精度のプレス面形状
を有する金型を用いてプレス成形することにより、この
金型のプレス面形状に対応した高精度の表面形状の光学
素子を製造する方法が注目されている。

ガラスや熱可塑性樹脂は高温になるに従い流動性を増
し、一般的に、ガラス転移点と呼ばれる温度以上にまで
加熱されると粘性を有するようになる。上記した光学素
子のプレス成形法は、この性質を利用したもので、転移
点以上の温度に加熱された被成形材料を型によりプレス
して流動変形させ、型の形状を転写した後、転写された
被成形材料の形状をくずさないまま冷却硬化して高精度
の面形状を有する成形品を得る方法である。

ところが、このようなプレス成形法により光学素子を
製造する場合、被成形材料の熱膨張係数が型のそれより
も大きいことに起因して、プレス成形後の冷却の際に、
被成形材料が型よりも大きく収縮して高精度に転写され
た被成形材料の表面形状が大きくくずれてしまうという
問題点があった。

この冷却時における収縮は、ガラス転移点以上の温度
領域で著しく大きく、かつこの温度領域では被成形材料
は粘性を有するため、外力や被成形材料内の温度分布に
よる熱応力によってこの材料の各部が不均一に収縮し、
転写後の表面形状に大きな型くずれが生じてしまうので
ある。

ところが一方、ガラス転移点以下の温度領域では、冷
却による収縮は、ガラス転移点以上のそれの約３倍以下
であり、かつこの温度領域では被成形材料は粘性を有す
ることがなく弾性体としての性質を示すようになる。従
って、上記したような外力や熱応力によって被成形材料
の各部に不均一な収縮が生じても、この外力や熱応力が
除去されると元の形状に復元され、成形品全体に多少の
収縮が生じるだけで、転写時における高精度の表面形状
は保有したまま冷却を完了することができる。

そこで従来から、このような性質に着目して、プレス
成形後の冷却過程において、ガラス転移点を通過するま
で高精度の形状を維持することにより高精度のプレス成
形品を製造するようにした発明が成されている。例え
ば、特公昭61−32263号公報においては、プレス成形時
において、型をガラス材料に押圧した状態を保つことに
より型とガラス材料を等温状態に保ったまま10¹³ポアズ
に相当する温度、即ちガラス転移点に近い温度にまで冷
却する方法が記載されている。又、特公昭56−378号公
報にはガラス転移点に相当する温度以上で所定時間加圧
することによりガラスの温度分布を均一化して成形品の
部分的な収縮を防止する方法が記載されている。さらに
又、特開昭61−48432号公報にはプレス成形後プレス圧
を5kg/cm²〜10kg/cm²に減じ成形品を型内に保持したま
ま0.7℃/secの速度で冷却する旨、又特開昭61−53126号
公報にはこの冷却速度を0.9℃/sec以下とする旨が記載
されている。

（発明が解決しようとする問題点） これらの発明においては、高精度の光学素子をプレス
成形により製造することができ、冷却時の型と被成形材
料の収縮量の差も解消できる旨の記載がされているが、
いずれもプレス後冷却して型から成形品を取り出すまで
の冷却速度が0.7℃/sec〜0.95℃/secであり、これに80
〜120秒の時間を要し、量産性の面で問題がある。これ
は、圧力を加えたままでガラス転移点まで冷却する際、
被成形材料の粘度はガラス転移点付近で10^13,3ポアズ程
度となり、この粘度ではプレス成形による変形速度が非
常に遅くなり、型と材料の収縮量の差をプレスにより埋
めるには長時間を必要とするからである。

本発明は、以上のような問題点を解決するために成さ
れたもので、高精度の光学素子をプレス成形により製造
する方法において、冷却時の型と被成形材料の収縮量の
差に起因する成形品の形状変形の問題を解決するととも
に、量産性にも優れた光学素子製造方法を提供すること
を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上述のような従来の問題点を解決するために、本発明
の光学素子製造方法は、粘性状態の被成形材料に対して
粘着性を有する材料を型材料として用い、この型内に前
記被成形材料を入れて加圧成形した後、前記被成形材料
の表面を前記型の成形面に密着したまま前記被成形材料
がガラス転移点に相当する温度まで２℃／秒より遅い速
度で冷却されることを特徴とする。

（作用） 上述した本発明の光学素子製造方法においては、粘性
状態の被成形材料と互いに粘着する性質を有する材料を
型材料として用いて、次の工程により光学素子が製造さ
れる。

ａ） 上記型内に被成形材料を入れて加圧成形する工
程。この工程において、型の成形面が被成形材料に押圧
され、同型内において所望形状の成形品が作られる。

ｂ） 上記加圧成形された被成形材料をガラス転移点に
相当する温度まで冷却する工程。この工程においては、
従来のように加圧力に依存するのではなく、上記のよう
に型の成形面と被成形材料の表面とを密着した状態を保
持することにより、冷却の際の型と被成形材料との収縮
量の差を解消することができる。即ち、型と被成形材料
とに互いに作用する粘着力により、被成形材料が型より
も大きく収縮する働きに対して型が被成形材料に対して
引張力を発現し、部分的及び全体的な被成形材料の収縮
が妨げられ、ガラス転移点を通過する温度にまで冷却さ
れると、粘性を失った被成形材料は型から離れ、それ以
後ガラス転移点以下の温度では、全体的に均等な多少の
収縮のみが成される。

なお、上述の本発明の光学素子製造方法において、型
材として、粘性状態にある被成形材料に対して粘着性が
ある材料を用いるとは、粘性状態のガラスと密着し易
く、剥がれにくい材料を用いることを意味しており、ま
た、上記粘着性と冷却温度との関係は、次のように説明
できる。即ち、冷却速度は、冷却中のガラスと型の熱膨
張差により発生する力に影響し、冷却速度が大きいと、
その力は大きくなる。また、その力は、ガラスと型とを
互いに剥離させるように作用するため、上述の粘着性を
有する型材が必要となるのである。しかし、この冷却速
度をあまり大きくすると、粘着性の大きな型材を用いた
場合に、ガラスの剥離は避けられるが、その時の熱膨張
差による力が、ガラス強度を越えるため、ガラスの割れ
をもたらす。このため、本発明では、従来方法において
プレス成形時から転移点に到る冷却が0.9℃／秒より遅
い速度であったのを、冷却速度に２℃／秒の上限を設定
するのである。

なお、冷却の際に被成形材料内に発生する引張りの残
留応力は、後工程のアニール処理により消滅させること
ができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説
明する。

第１図は、本発明による製造工程においてプレス成形
後の冷却状態を示す実施例であり、成形品として凸レン
ズが例示されている。第２図及び第３図は第１図に示す
実施例のプレス成形時の状態を示す実施例であり、第４
図にはこの実施例によって得られた凸レンズの断面図が
示してある。

第１図〜第３図において、１は成形されたガラス（材
質F8）レンズである。２はガラスレンズ１の第１機能面
を形成するための成形面2aを有する上型、３はガラスレ
ンズ１の第２機能面を形成するための成形面3aを有する
下型であり、粘性状態におけるガラスレンズ１がこの上
型２及び下型３に粘着するよう、窒化ケイ素（Si₃N₄）
を用いて作製してある。又、夫々の成形面2a,3aはダイ
ヤモンド砥粒により鏡面に研摩されている。４はガラス
レンズ１の側面を形成するための成形面4aを有し、下型
３を固定すると共に上型２のプレス方向ストッパー面4b
を有する胴型であり、モリブデンから成る。５はガラス
レンズ１の被成形材料である。６は加熱用ヒータであ
り、7,8は夫々上型２と下型３の温度を測定するための
熱電対であり、９は上型２を押圧するためのプレス用ロ
ッドであり、10は成形されたガラスレンズ１を型から取
出した成形品である。

このような装置を用いて本発明方法を行なうには、ま
ず、第２図に示すように、上型２と下型３の間に被成形
材料５を入れ、外部大気に対して密閉構造を有する不図
示の成形機の所定位置に設置する。加熱用ヒータ６はこ
の成形機に具備されたものである。

次に、成形機の内部を真空状態にした後、窒素ガスを
導入する。これは、金型2,3の成形面2a,3aが高温下で酸
化して鏡面を損なうことを防止するのに有益である。

次いで、加熱用ヒータ６に通電し、熱電対７と８で上
型２と下型３の温度を測定しながら540℃になるまで加
熱する。そして、第３図に示すようにプレス用ロッド９
の上部に設置された不図示のエアシリンダでこのプレス
用ロッド９を介して上型２を矢印ａ方向にプレス圧200k
gで３分間押圧する。この間に、上型２の成形面2aの外
縁部は第１図に示すように、胴型４のストッパー面4bに
圧接した状態になり、上型２の押圧動作は完了する。

次に、プレス圧を除去してプレス用ロッド９を上型２
から離脱した後、1.5℃／秒の勾配で40秒程度でガラス
転移点に相当する温度480℃まで冷却する。この場合、
ガラス転移点以上ではガラスレンズ１は粘性を有し、窒
化ケイ素から成る上型２及び下型３の成形面2a及び3aに
対して粘着状態を保つから、冷却過程において、ガラス
レンズ１は上型２と下型３との間でこれらの成形面2aと
3aに接触したまま表面形状をくずすことなくガラス転移
点480℃まで冷却し、その後40℃まで急冷却する。この
冷却は、成形機内の窒素ガスを真空ポンプで吸引した
後、新たな冷却窒素ガスを型に吹きつけることを繰り返
すことにより行なうことができる。

上述のように、冷却が完了した時点で、成形機より型
を取出し、上型２を持上げると成形品10が下型３から容
易に取出すことができる。

上述した方法を用いて実験を行った結果、外径6mm,中
心厚4mmの成形品10について面精度に関し、クセ0.1μｍ
で内部歪もなく、カメラ用レンズとして十分使用できる
面精度の成形品が得られた。

この実験において、プレス成形時のガラスレンズ１の
温度540℃をガラス転移点に相当する温度480℃まで冷却
する速度を第１表に示すように１℃／秒,1.5℃／秒,2℃
／秒,3℃／秒の４通りに変化させて、それぞれに要する
冷却時間と状況を観察した結果３℃／秒にてガラスレン
ズ１にレンズ割れが生じた。

従って本発明においては、プレス成形時の温度からガ
ラス転移点に相当する温度まで冷却する速度を、レンズ
割れの生じない冷却速度２℃／秒程度以下としてある。
この冷却速度は被成形材料としての他の材質を使用した
場合においても適用される。

次に、本発明の他の実施例について第５図により説明
する。本実施例にて使用する上型12は凸状の成形面12a
を有し、下型13は凹状の成形面13aを有している。従っ
て、本実施例における型を用いて凹レンズが製造でき
る。上型12及び下型13はいずれも超硬合金が用いられ、
上記実施例で用いた窒化ケイ素製のものと同様に粘性を
有するまでに加熱された被成形材料11に対して粘着性を
有している。本実施例に用いる装置のその他の構成は上
記実施例と同様のものが使用されている。ただし、被成
形材料11としての硝材はSK12を使用してある。

本実施例においては、このような装置を用いて、ま
ず、上記実施例と同様の操作で、温度610℃で被成形材
料11をプレス成形した後、プレス圧を除去し、520℃ま
で１℃／分の勾配で１分30秒間かけて冷却した後、40℃
まで20分間で急冷し、その後型から成形品を取出した。

上記520℃まで冷却する過程では、被成形材料11は粘
性を有し、上型12及び下型13に対して粘着性を有するか
ら、冷却に伴なう収縮に抗して成形面12a,13a方向に引
張力を受け、被成形材料11の表面は上型12及び下型13に
接触したままガラス転移点520℃まで冷却せられ、その
後、上型12及び下型13に対する粘着力を失ったまま、40
℃まで冷却せしめられる。

この方法により、外径16mm,中心厚2mmの成形品を製造
した所、面精度に関し、クセ0.1μｍのものが得られ
た。なお、得られた成形品は、外径が大きいため、内部
歪を有していた。この内部歪を除去するため、当該成形
品を510℃まで再度加熱し、約10時間保持した後、３℃
／時間の冷却勾配で450℃まで徐冷した結果、内部歪は
完全に消失せしめられた。ただし、このアニール処理に
よって、球面の曲率半径は、0.2％だけ均等に収縮した
が、新たなクセは生じず、カメラ用レンズとして十分使
用できる成形品が得られた。

なお、この実施例において、上型12及び下型13の成形
面12a,13aにカーボン系離型剤を塗布して上型12及び下
型13と被成形材料11との粘着力を消失せしめ、上記同様
のプレス成形を行なった結果、得られた成形品の表面に
は1.5μｍ以上のクセが生じ、本発明の効果が確認され
た。

又、これらの実施例において、型材としては、窒化ケ
イ素又は超硬合金が使用してあるが、粘性を発現するま
でに加熱された被成形材料に対して適当な粘着性を有す
る材料であれば、特にこれらに限定されるものではな
い。ただし、被成形材料と型材の膨張係数の差が大きす
ぎると、上記の粘着力以上の収縮力が働き、粘着状態を
維持することができなくなり望ましくない。

又、上記２つの実施例では被成形材料としてガラスレ
ンズを用いてあるが、これに限定されず、熱可塑性樹脂
を用いることもできる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の光学素子製造方法によ
れば、プレス成形後の冷却過程において、型と被成形材
料との収縮量の差に起因する成形品の精度劣化を、従来
のように長時間を要する押圧手段によるのではなく、ガ
ラス転移点付近までの被成形材料と型の粘着性を利用
し、しかもレンズ割れが生じない冷却速度内で急冷する
ようにしてあるから、プレス後冷却して型から成形品を
取り出すまでの冷却速度が従来の−0.9℃／秒以下に比
べて−２℃／秒まで速くでき、被成形材料に対するプレ
ス時間及び冷却時間が大幅に短縮でき、生産性に優れた
高精度の光学素子が製造可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による実施例においてプレス成形後の冷
却状態を示す断面図、第２図は第１図に示す実施例にお
いてプレス成形時の状態を示す断面図、第３図は第１図
に示す実施例においてプレス成形完了時の状態を示す断
面図、第４図は第１図に示す実施例により得られた成形
品の断面図、第５図は本発明による他の実施例を示す断
面図である。 １……ガラスレンズ、2,12……上型、3,13……下型、４
……胴型、5,11……被成形材料、10……成形品。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】粘性状態の被成形材料に対して粘着性を有
   する材料を型材料として用い、この型内に前記被成形材
   料を入れて加圧成形した後、前記被成形材料の表面が前
   記型の成形面に密着したまま前記被成形材料がガラス転
   移点に相当する温度まで２℃／秒より遅い速度で冷却さ
   れることを特徴とする光学素子製造方法。