JP2618527B2

JP2618527B2 - 光学部品の製造法

Info

Publication number: JP2618527B2
Application number: JP2312889A
Authority: JP
Inventors: 文良佐藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-11-20
Filing date: 1990-11-20
Publication date: 1997-06-11
Anticipated expiration: 2012-06-11
Also published as: JPH04187530A

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

本発明は、例えば、非球面レンズなどの高精度な光学
部品をプレス成形で形成するようにした光学部品の製造
法に関する。

【従来の技術】

近時、この種の光学部品の製造法では、最終成形品の
形状に近似したガラス素材（ガラスブランク）を、予め
用意して、所要の高精度な成形面を有する成形用型部材
内に収容し、加熱して、上記ガラス素材の粘度10⁸〜10
¹²ポアズの範囲の成形可能な温度になった時、上記型部
材で上記ガラス素材を加圧し、キャビティ形状、特に成
形面に対応した表面を有する最終成形品としての光学部
品を得るようにしている。このようなリヒートプレス成
形法によれば、成形後の研削、研磨などの後加工が不要
となる。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、高精度な成形表面を必要とする、例え
ば、非球面レンズなどの光学部品を製造する場合、ブラ
ンクの形状やその熱特性管理、型構造と型部材の最適
化、非酸化性雰囲気の制御、成形時のガラスおよび型部
材の温度測定と温度制御、成形時の加圧手段と圧力制
御、成形後の成形物の冷却速度、その取出し温度、など
の様々な留意すべき事項が含まれていて、製造上のトラ
ブルや品質の問題解決に当っては、これら複雑な要因を
分析し、対処する必要がある。特に、この発明で問題にしているのは、ブランクをプ
レス成形した後の冷却過程で、型部材内で起こる表面割
れの現象である。すなわち、非球面レンズなどの成形物
では、その成形表面に、部分的な輪帯状のクラックが発
生するのである。また、上記成形物の、最終成形品とし
ての品質上、歩留りを左右する問題として、成形面の形
状転写性とそのバラツキ（アス・クセやＲ精度）をあげ
ることができる。上述の歩留り向上のために、光学素子
としての精度上の品質規格を弛める方向での問題処理
は、本質的な解決方法ではない。そこで、品質規格をク
リアするためには、最終成形品の肉厚やＲ形状を設計変
更せざるを得ない場合すらある。本発明者は、鋭意、努力した結果、ガラス素材の粘度
と密接に関係して、冷却過程での型部材の温度制御及
び、離型の際の温度条件が、また、型部材内の温度分
布、離型の際の熱応力などが、成形型内で起こる輪帯状
クラック、成形表面の形状転写性、品質のバラツキに関
与している点を確認した。

【発明の目的】

本発明は上記事情に基いてなされたもので、或る特定
の条件を設定して、これを実施することで、型部材内で
起こるクラックを防止し、成形表面の形状転写性を向上
し、その品質のバラツキを極度に抑制できるようにした
光学部品の製造法を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

このため、本発明では、軟化状態にあるガラス素材を
成形用型部材を用いてプレスし、上記型部材の成形面に
対応した表面を上記ガラス素材に形成するようにした光
学部品の製造方法において、加圧成形後の冷却過程で、
上記型部材の温度を制御し、ガラスの粘度log ηが13〜
16の範囲で固着または接触状態にある上記ガラス素材を
上記型部材から強制的に分離するのである。また、要すれば、上記型部材は少なくとも対向する成
形面を有する二つの型部材より構成され、各型部材の温
度は、決められたガラスの粘度logηが13〜16の範囲と
なる温度に対して、ガラスの粘度変化量Δlog ηが±0.
5以内の温度誤差の範囲で制御され、かつ、上記成形面
の温度分布も同じ温度誤差範囲になるように制御され
る。また、上記型部材からのガラス素材の分離に際して、
各型部材、胴型の少なくとも１つに対して、上記成形面
について水平または垂直方向の振動を、周波数100HZ〜1
00KHZの範囲かつ振動力１〜１、000kgの範囲で与えるの
である。

【実施例】

以下、本発明を図示の実施例にもとずいて具体的に説
明する。第１図において、符号１は成形されたガラス素
材（ガラスブランク）であり、上下の型部材２及び３の
間に位置している。そして、上記型部材２及び３は、胴
型４の中で光軸が合うような嵌合構造になっており、い
ずれもその外周を上下に摺動できるようにしてある。上
記胴型４は下プレート13にボルト14で固定され、上記下
プレート13はボルト17によって熱絶縁リング15を介して
基準台16上に設置されている。上記胴型４には熱源５が
内蔵されていて、胴型内に形成されたキャビティに対す
る熱の供給を行うようにしてある。この熱の制御は上下
の型部材２及び３内に配置した熱電対６乃至９からの測
定温度で行われる。上記熱電対はその測定先端を各型部
材２及び３の成形面近傍に位置しており、それぞれ、複
数本を適当な間隔で分散配置している。上記下型部材３
はその高さ調節のために下プレート13との間にスペーサ
19を介装している。また、上型部材２と胴型４の頂部と
の間には上型部材２の高さ設定用のスペーサ18が介装し
てある。上記上型部材２は型保持体10に取付けられ、左右一対
の支持バー20で上方向に吊持されており、上記支持バー
20にはフック型のジョイント21がボルト22を介して取付
けられており、上記ジョイント21はラム23で吊持されて
いる。なお、型保持体10が胴型４上に降下した状態で、
更に上記ラム23が降下したとき、上記ラムで型保持体10
を押しても、上型部材２をその中心で押圧できるよう
に、上記型保持体10の頂部中心にはビート11が形成して
ある。また、上記ラム23にはローラバイブレータのよう
な振動手段が設けられている（図示せず）。また、上記
のような構成のプレス機は上記ガラス素材１を所定の雰
囲気内に保持するための構造を持っている。第１図は、このようなプレス機で、プレス成形したあ
と、冷却過程で、上記ガラス素材１を強制的に型部材
２、３の成形面から分離させる瞬間の状態を示してい
る。次に、このような構成のプレス機を用いて、具体的に
本発明の光学部品の製造法を説明する。非酸化雰囲気内
に搬入されるガラス素材（ブランク）は、例えば、第２
図に示すような粘度特性のもの（重クラウンガラス）を
採用する。なお、10¹⁶ポアズ以上についてはビームベン
ディング法によって得られたデータを外挿する形で採用
している（点線で表示）。ブランク形状は球であり、以
下に述べる実験には、10φ〜11φmmの範囲で必要な幾種
類かの水準で用意している。上記ブランクは先ず400℃に加熱され、また、上下の
型部材２及び３は共に620℃に温度調節される。そし
て、搬送機（図示せず）を介して、上記ブランクが胴型
４に設けた開口4Aから型内に挿入される。上記ブランク
はそれ自体の形から得られる求心性で、下の型部材３の
成形面の中心に静止される。この状態で、上記ラム23を
動作し、上の型部材２を降下し、約４分間をかけてプレ
ス成形される。次の冷却過程では、熱源５の出力調節が
なされ、一方、直接的な冷却制御は、流量調節しなが
ら、窒素ガスを上記胴型４に対して吹き付けることで行
われる。そして、或る所定の温度範囲において上の型部
材２は強制的に上昇され、成形物（ガラスレンズ）を成
形面から分離する。なお、この実施例では、上記型部材
２及び３はバインダーレスのWC系超硬合金を用いる。ま
た、成形面には約１μの厚さで、AINを蒸着する。これ
によって、上記成形面は光学的に鏡面になり、その曲率
半径は、例えば、下側が12.16^mm、上側が30.84^mmであ
る。なお、成形されるガラスレンズの肉厚は上記スペー
サ18の厚さを選択することで予め決定できるが、これに
よって、上記ガラス素材（ブランク）は、例えば、下の
型部材３の口径16.0φから僅かにはみ出す直径になる。実験に際しては、レンズ肉厚、冷却速度、強制的に離
型する温度、上記ラム23を介して与える外部振動の方
向、強弱などのファクターを変え、それに対応する成形
物表面のワレ発生頻度、成形面の形状転写性、そのＲ精
度のバラツキを評価した。

【実験例１】第３図には、レンズ肉厚が5.20^mm、コバ厚約1.0^mmの
レンズを成形した場合の強制離型温度とワレ（クラッ
ク）頻度の関係を示しており、各水準で、20回、成形し
た結果を示す。冷却速度は30^deg/_minで、上下の型部材
２及び３の温度は等しい。この時の型部材２及び３内の
成形面の温度分布は±６℃以内であり、バラツキはガラ
ス粘度で示すと、Δ1og η＝±0.3以内である。ワレ発
生率は強制離型温度がガラス粘度で示すと10¹⁶以上にな
る温度に低下するとき、増大し、例えば、10¹⁸では全数
がワレを生じ、また、400℃で冷却を止めて放冷し、型
部材２及び３の温度が300℃以下になってから上の型部
材２を上げ、成形物を取出した場合、５回について全
数、ワレを生じていた。上記のワレは下の型部材３の鍔
部の境界から生じた場合もあったが、胎どが下の型部材
３の有効径内に起点を有する輪帯状のものである。ま
た、稀に上の型部材２の有効径内からも同様に発生して
いる。なお、強制離型温度が、ガラス粘度1og ηで示す
場合、13以下であるような高温での２水準については、
ワレ発生がなかった。しかし、この場合には、上下の成
形面の形状転写性が著しく悪く、光学的用途としては使
用できないことが解った。

【実験例２】上述の強制離型温度をガラス粘度で10^14.5ポアズと決
めて、その作用した温度範囲を±10℃以内の誤差に留め
た場合、これをガラス粘度Δ1og ηとして示すと、±0.
5以内となるが、成形されたレンズの上下表面は、その
Ｒ精度がニュートンのバラツキとして３本以内であり、
評価も良好であった。次に、実験として、強制離型のタ
イミングを、ガラス粘度Δ1og ηとして示す±0.2以内
の温度誤差の場合と、±1.0以内の場合とで、それぞれ1
0回、計40回、成形して、同じくレンズの上下表面のＲ
精度の変化を調べたところ、前者の場合（±0.2）、ニ
ュートンのバラツキが１本以内となり、品質のバラツキ
を極端に抑制でき、良好な品質保証ができることが明ら
かになったが、後者の場合（±1.0）、ニュートンのバ
ラツキが６〜10本となり、品質が安定しないことが明か
になった。比較例として、強制離型をしない従来例を実験対象と
した場合、その条件に、型部材の材質を耐久性の劣るバ
インダー含有のWC系超硬合金とし、上型の上昇する時点
の温度をガラス粘度として10¹⁸より低温の400℃とした
場合には50回の連続成形したとき、成型されたレンズの
Ｒ精度は、経時変化と各成形ごとのバラツキを含めて、
ニュートンのバラツキが６〜10本となり、約１割の成形
品に微小な輪帯状のクラックが発生していた。これらの現象は、成形されたガラス製品と型部材との
間の冷却過程で起こる熱収縮に対し、上記ガラスの強度
を上回る部分応力が発生し、上記のクラックを発生する
ものと理解できる。そのワレ発生の開始される温度以上
でガラスと型部材の成形面とが自然に分離した場合には
ワレを生じないことがこれを証明している。しかし、そ
こでの温度分布にバラツキがあると、それが大きいほど
Ｒ精度のバラツキも大きくなり、成形品の品質を左右す
ることになる。この点、本発明では、上述のようなワレ発生の上限温
度以上で、しかも、ガラスと型部材とを互いに固着また
は接触した状態での温度のバラツキを上述の実験のよう
に所定条件に維持したうえで、強制的に分離するから、
ワレを防止し、品質を安定させ、歩留りを向上できるの
である。

【実験例３】更に、上述した「実験例１」において、成形したレン
ズの肉厚を4.8^mm（コバ厚約0.6^mm）及び5.6^mm（コバ厚
約1.4^mm）とした場合、条件として、強制離型温度を上
の型部材の方が下の型部材より高い温度となるように、
両型部材の加熱に温度差を付けると、その温度差がガラ
ス粘度Δ1og ηとして1.0で、しかも上の型部材の温度
をガラス粘度で10¹³〜10¹⁶の範囲で各４水準につき各20
回、成形した結果、後者の場合（5.6^mm）では全くワレ
が無く、また、前者の場合（4.8^mm）も、上の型部材の
強制離型温度をガラス粘度1og ηで15.2より高温とした
場合、ワレの発生がなく、1og ηで16の場合、３割しか
ワレを生じないことが明かとなった。これに対し、前述
したような従来例では、この程度の肉厚になると、胎ど
がワレを発生しており、この事実から、本発明ではリヒ
ートプレス法で、十分薄い肉厚のレンズも安定して製造
できることが理解できる。

【実験例４】また、「実験例２」における強制離型温度をガラス粘
度で10^14.5として、強制離型のタイミングがガラス粘度
Δ1og ηで±0.2の範囲として、冷却速度をそれぞれ1
0、60、100^deg/_minとした場合、各20回、連続成形した
結果、全ての場合でワレを発生しなかった。しかし、成
形面の型状転写性として「アス」と「クセ」を評価した
結果、10゜、30゜ではニュートンのバラツキは１本以内
で良好であるが、50゜ではそれが1.5本以内、100゜では
３本以上であった。この時の型内の温度分布はそれぞれ
約±４゜、±６゜、±10゜、±18゜であった。一般的な
光学レンズの品質を考慮すると、上記ニュートンのバラ
ツキは1.5本が許容限界であり、このことから、強制離
型時の上下の型部材内の温度分布はガラス粘度1og ηで
±0.5以内とすべきことが明かとなった。

【実験例５】更に、強制離型の問題として、下の型部材とガラスと
が先に離れる場合と、上の型部材とガラスとが先に離れ
る場合とがある。ここでは、いずれか一方の型部材がガ
ラスから離れるとき、他方は熱応力から開放され、自然
に離れることになる。なお、上の型部材を上昇させると
きの引張力は、400kg（プレス時、500〜１、000kg）に
達することがあり、離型の瞬間にレンズが躍ることがあ
り、次工程で型から成形品を取出す際に、吸着取出しが
困難になり、特に、球形のブランクではない、例えば、
芯取り加工したプリフォームを成形する際、下型部材の
成形面と成形品のコバ部が当り、ガラス屑が型内に落ち
たりする不都合がある。これらの問題を回避するため
に、前述の「実施例３」において、上下の型部材に温度
差を与え、上の型とガラスとを先に剥がれるようにする
場合が考えられる。この時の強制離型の補助手段として
上下いずれかの型部材、あるいは中間の胴型に強制的な
振動を与えるようにしてもよい。このための振動手段に
は、例えば、ローラバイブレータを用いるとよい。また、「実施例２」において、バイブレータの条件を
振動数100HZ〜100kHZ、好ましくは30kHZ、振動力１〜
１、000kg、好ましくは160kgとした場合、その力はラム
を介して減衰されたあと、ガラスと上の型部材との間に
作用するが、強制離型開始の20秒前から外力を与えなが
ら離型した場合、前述した引張力が50kg以下の値に設定
すると、容易に離型でき、ガラスが型内で躍ることな
く、下の型部材の上に残る。この補助的効果はその振動
方向にはあまり関係なく、従って、上述の振動手段には
バイブレータ以外にも、例えば、ハンマーなどを用いる
ことができる。なお、上記実施例においては、１種類のガラス種と型
材質が示されているが、これに限られることなく、この
強制離型時のガラス粘度に対応する適正な温度制御を行
えば、同等の効果を期待できることは当然であって、こ
れらの変形は本発明の範ちゅうに属するものである。更
に、上記実施例では、強制離型の方法が上の型部材を上
昇させる形になっているが、下の型部材を降下するよう
にしてもよい。また、例えば、冷却中に、下の型部材が
上方に補圧され、ガラス粘度1og ηが10¹³〜10¹⁶の範囲
の決められた定点で、圧力を解除し、下の型部材の重量
がガラスに掛かり、強制離型できるのである。

【発明の効果】

本発明は以上詳述したようになり、所定の温度条件
で、強制離型するとともに、その直前での型部材内の温
度を均等にし、これによって、成形型面の形状転写性を
向上し、しかも、製品の表面に輪帯状などのクラックを
生じさせないようにすることができる。これにより、品
質を向上し、歩留りを良くすることが可能である。ま
た、強制離型の際に、補助手段として上下の型部材の少
なくとも一つまたは胴型を振動させ、これによって、離
型を用意にし、ガラス素材が下の型部材の上で躍るのを
防止し、安定的にガラス製品を製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明するための概略構成
図、第２図は実験例１及び２で用いた重クラウンガラス
の温度と粘度との関係を示す特性曲線のグラフ、第３図
は強制離型温度とワレ頻度との関係を実験プロットで示
す図表である。１……ガラス素材２、３……型部材４……胴型５……熱源６〜９……熱電対 23……ラム

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軟化状態にあるガラス素材を成形用型部材
を用いてプレスし、上記型部材の成形面に対応した表面
を上記ガラス素材に形成するようにした光学部品の製造
方法において、加圧成形後の冷却過程で、上記型部材の
温度を制御し、ガラスの粘度log ηが13〜16の範囲で固
着または接触状態にある上記ガラス素材を上記型部材か
ら強制的に分離することを特徴とする光学部品の製造
法。
【請求項２】上記型部材は少なくとも対向する成形面を
有する二つの型部材より構成され、各型部材の温度は、
決められたガラスの粘度log ηが13〜16の範囲となる温
度に対して、ガラスの粘度変化量Δlog ηが±0.5以内
の温度誤差の範囲で制御され、かつ、上記成形面の温度
分布も同じ温度誤差範囲になるように制御されることを
特徴とする請求項１に記載の光学部品の製造法。
【請求項３】上記型部材からのガラス素材の分離に際し
て、各型部材、胴型の少なくとも１つに対して、上記成
形面について水平または垂直方向の振動を、周波数100H
Z〜100KHZの範囲かつ振動力１〜１、000kgの範囲で与え
ることを特徴とする請求項１に記載の光学部品の製造
法。