JP2924311B2 - ガラス光学素子の成形方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガラス光学素子の成形法
に係わり、特に形状精度及び面精度に優れ、安価で大量
生産に適したガラス光学素子の成形方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、レンズ、プリズム等の光学素子は
ガラスなどの光学素子用素材を研磨で製造する変わり
に、金型内に光学素子用素材を投入し加熱加圧すること
によって成形する方法が数多く提案されている。ガラス
素材は溶融状態から型に流し込み加圧成形する方法が最
も能率的であるが、冷却時のガラスの収縮を制御するこ
とが難しく、精密な光学素子成形に適さない。したがっ
てガラス素材を一定の形状に予備加工してこれを型の間
に供給し、加熱し、押圧成形するのが一般的な方法であ
り、この様な方法は、例えば特開昭５８ー８４１３４号
公報において開示されている。

【０００３】このような方法で精密な光学素子を一回の
成形で作製する場合、成形に用いるガラス素材は可能な
限り所望の光学素子形状に近い形状に予備加工すること
が必要である。また光学素子の外周を規制するため、通
常、胴型を用いて成形するが、この場合余分なガラスの
逃げ場がないのでガラス素材の重量を、目的とする光学
素子の重量に正確に合わせておく必要がある。その中
で、胴型と上下型の一部に逃げを設けて、余分なガラス
を吸収してガラスの重量合わせの許容差を大きくする方
法が、例えば特開昭５９ー１４１４３５号公報において
提案されている。また特開昭６０ー９７１６号公報に開
示されているように、滑らかな表面を持つ光学素子を得
るために、ガラス素材の表面粗度を厳しく制御する予備
加工をしてガラス素材の成形面を滑らかにすることも重
要である。

【０００４】上記のような方法で行う場合、ガラス素材
の重量を正確に制御するか、型の構成に逃げを設けなけ
ればならない。しかしながら型の構成に逃げを設ける
と、成形した光学素子においては光学的に無効な部分が
多く光学素子重量が重くなるという問題点を有する。

【０００５】一方ガラス素材の重量を正確に制御する方
法もガラス素材の形状をどのように決定するかによって
全く異なる。例えばガラス素材の形状を最終製品に近似
させたガラスプリフォームとした場合、予備加工が困難
となるため重量の３％がバラツキの幅として生じ、また
コストも高くなるという問題点を有する。したがって重
量を正確に制御するためには最も予備加工が簡単で安価
な円柱形状が好ましい。

【０００６】研磨法に変わる成形方法については例えば
特開昭６０−２４６２３１号公報がある。以下、図面を
参照しながら成形法について説明する。一般にプレス成
形によって光学素子を製造する場合、光学素子用素材を
所定の大きさに切断しガラス軟化点付近まで予備加熱す
る。次に光学素子用材料を型閉めしたとき、光学素子の
完成品とほぼ同一形状となるように加工された上型と下
型の間に予備加熱された光学素子用素材を供給し、所定
の温度で加圧成形を行なっている。

【０００７】光学素子成形用素材の形状は、前述のよう
にできるかぎり簡単な形状が製造工程あるいは材料の加
工コストの面でも望ましく、例えば図１に示されるよう
なセンタレス加工で所定の硝材外径に加工した棒材を所
定の幅で切断した円柱体のものがある。しかしこの用な
素材を用いて成形すると、図６に示すように材料の角部
１９が先に変形し上型１５と下型１６と接触する部分が
なじんでしまい、密閉空間２０ができる。一旦密閉空間
ができると成形完了時まで密閉空間が存在し、型の加工
面が素材に十分転写されず不良光学素子となる。こうい
った未転写不良を防止する従来の方法について図５を用
いて説明する。

【０００８】下型１６は連結棒１６Ａを介してベース１
６Ｂに固定されており、上型１５は連結棒１５Ａを介し
てピストン棒１５Ｂに取り付けられている。光学素子用
素材１は図７に示されるような温度プロフィールで成形
される。まず加熱ヒータ１７より成形温度まで加熱され
る。所望の成形温度に達した時点で上型１５が油圧シリ
ンダによって下降し、素材と接触する。その後、上型が
上下に振動加圧するが、例えばサーボパルサ１８を使っ
てこれを実行する。振動加圧は例えば全加圧ストローク
の９割まで行い、残りの１割を定常加圧で成形する。全
加圧ストロークに達したところで通電をやめ、所望の温
度に降温したところで型を開き冷却後光学素子を取り出
す。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の成形方法にあっ
ては、光学素子成形用素材を用いて成形する場合、型内
に光学素子成形用素材を投入する際に型と接触する角部
にクラックが入ったり、割れたりするといった現象が発
生する。こういった状態で成形すると、破損した素材が
型を傷つけたり、成形された光学素子の表面に破損した
素材が残ったままであるために形状精度不良、あるいは
外観不良となることが多かった。

【００１０】又、光学素子成形用素材の側面はセンタレ
ス加工面であるため表面粗さが大きく、光学素子の光学
有効面の一部分の表面粗さが悪くなるために透過率が劣
化するといった課題があった。さらに、上記の成形方法
で製造された光学素子は、光学素子の型面の形状を決定
する上型が、成形途中に於て光学素子と密着、型離れを
繰り返すために空気を巻き込み、成形途中の素材に気泡
がたまるという問題があった。

【００１１】又、上記上型の振動加圧中においては下型
との位置合わせが非常に困難であり、光学素子の両面の
傾きを設計較差内におさめることが非常に難しかった。
又、上型が振動加圧を繰り返すために温度分布が不均一
になり易く、光学素子内部にも温度分布が発生する。そ
の結果光学素子にヒケが発生し、光学性能を満たすこと
ができなくなるといった問題点があった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明のガラス光学素子の成形方法は、第一の型と第
二の型とからなる成形型の内部空間に供給された円柱形
状のガラス光学素子素材を、ガラス光学素子素材の軟化
温度よりも高い温度で短時間予備加熱して、ガラス光学
素子素材の角部に曲率を形成し、表面粗さを向上させた
後、ガラス光学素子素材の屈伏温度と軟化温度の間に加
熱しながら加圧成形することを特徴とするものである。

【００１３】又、ガラス光学素子素材の形状は円柱形状
とし、金型とガラス光学素子素材が常に密着した状態で
成形されることが望ましい。

【００１４】

【作用】上記のような構成であれば、金型のガラス光学
素子形状転写面とガラス光学素子素材との間に未接触部
分を発生させる事なく成形でき、又、ガラス光学素子素
材角部の欠けによるガラス光学素子不良も防止でき、ガ
ラス光学素子素材側面の表面粗さがガラス光学素子性能
に影響することもない。更に上下型の軸ズレを防止で
き、成形時のガラス光学素子素材内部の熱の不均一によ
るガラス光学素子の不均一な収縮をなくすることができ
る。

【００１５】

【実施例】以下実施例について図１〜図４を参照しなが
ら説明すると、図２において、本発明の成形方法に係わ
る成形装置は、上型４と下型５の軸ずれをなくし、かつ
所定のガラス光学素子の厚みになるように任意の高さに
調整した胴型６と、上型、下型及び胴型で囲まれる空間
に両端面が上下型に接するように縦向きに供給されたガ
ラス光学素子素材１とを有している。

【００１６】ガラス光学素子素材は図１に示すような円
柱体であり、直径８mm×長さ１０mmの光学ガラスＳＦ−
８（ガラス転移温度４２０℃、屈伏温度４５４℃、軟化
温度５５１℃、線膨張率１００℃〜３００℃で９０×１
０^-7／℃）である。また、端面は鏡面である。次に金型
を投入ステージに移し、成形装置７の入口にあるシャッ
ター８を開いて予備加熱ステージ１０に移送する。成形
装置内は、酸素濃度を管理できるように密閉度を考慮し
た構造を取っており窒素雰囲気となっている。

【００１７】成形前に成形型内で予備加熱することによ
って所望の硝材形状を得るためには、予備加熱ステージ
１０と上ヒータブロック１３の温度設定は素材の熱軟化
温度よりも高い温度にすると効果のあることが予備実験
で明かとなった。本実施例では、予備加熱ステージ１０
と上ヒータブロック１３は７００℃に設定した。

【００１８】上ヒータブロック１３は金型が予備加熱ス
テージ１０に移送した後上型４と近接する位置まで下降
する。この状態で２ｍｉｎ保持する。２ｍｉｎ経過した
時点において図３に示されるように、金型内のガラス光
学素子素材の角部には曲率部２Ａができる。本実施例で
は０．１ｍｍの曲率となった。

【００１９】又、側面の表面粗さは予備加熱によって改
善され、透明度がかなり向上した。本実施例では予備加
熱前に表面粗さが２μｍであったものが予備加熱後に取
り出してみると０．１μｍであった。又、素材端面には
平坦部が残った。

【００２０】次に上ヒータブロック１３を元の位置に上
昇させた後、金型を成形ステージに移送する。次に上ヒ
ータブロック１３ａを上型４に接触させる。成形ステー
ジ１１と上ヒータブロック１３ａは硝材が型の押圧力に
対して十分変形可能な温度が必要であり、さらに温度が
高すぎると性能の満足できないレンズとなるため、素材
の屈伏温度と軟化温度の間に設定すると良い。本実施例
では成形ステージ１１と上ヒータブロック１３ａの温度
は５３０℃に設定した。予備加熱ステージと成形ステー
ジは断熱材で仕切られており、お互いの設定温度に影響
されないようになっている。ガラス光学素子素材の温度
が５３０℃になった時点で、ガラス光学素子素材の粘度
は１０¹⁰ポアズとなっている。

【００２１】次に上ヒータブロックで素材を押圧する。
この時の圧力は２Ｋｇ／ｍｍ²以上が良い。成形途中、
所定の時間が経過後一旦成形圧力を零にし、上ヒータブ
ロック１３ａを上昇して上型４から離す。圧力を零にす
る直前、正圧になっていた成形型とガラス光学素子素材
端面で囲まれる空間は常圧に戻る。成形圧力を零にした
時にも、成形型とガラス光学素子素材は密着したままで
ある。

【００２２】次に再び上ヒータブロック１３ａを下降
し、上型４に密着させる。この時成形型とガラス光学素
子素材端面で囲まれる空間は、成形開始直後の空間より
もかなり小さい容積となっている。次に再び上ヒータブ
ロックでガラス光学素子素材を押圧する。胴型６と上型
４が密着した時点で成形ステージ１１と上ヒータブロッ
ク１３ａの温度を徐々に降温する。４００℃になった時
点で押圧を終了し、上ヒータブロック１３ａを上昇させ
る。

【００２３】続いて成形装置の出口シャッター８ａを開
き成形型を取り出しステージ１４に移送する。そして常
温まで冷却後、型開きを行いガラス光学素子を取り出
す。

【００２４】以上に述べた予備加熱、型移送及び成形の
温度プロフィールを図４の曲線ｂに示す。曲線ａは従来
の温度プロフィールである。成形されたガラス光学素子
は成形型の形状が正確に転写されていた。型と素材が常
に密着した状態で成形することによって、ガラス光学素
子素材の温度分布の均一性が保たれるためにために、転
写性が非常に向上することがわかった。

【００２５】又、型内で予備加熱を行うことによってガ
ラス光学素子素材角部に曲率ができ、かつガラス光学素
子素材側面の表面粗さが向上しているので、成形時に角
部から欠けたりすることがなく、ガラス光学素子の透過
率もボール状の鏡面に研磨されたガラス光学素子素材を
成形してできたガラス光学素子の透過率と同等であっ
た。

【００２６】本実施例では成形途中に成形圧力を完全に
零にするために上ヒータブロックを一旦上昇させたが、
ガラス光学素子素材の大きさによっては上ヒータブロッ
クと上型を密着させた状態で減圧するだけでも良い。ま
た、予備加熱条件は素材の材質、寸法によって異なり、
角部に曲率を設け、素材側面の表面粗度を向上させる為
には軟化温度より高い温度が必要であるが、素材の軟化
温度より１００℃〜３００℃高い温度で３０ｓｅｃ〜３
ｍｉｎ予備加熱することが望ましい。

【００２７】

【発明の効果】本発明は以上に説明した成形方法である
ために、以下に記載されるような効果を奏する。型内で
成形直前に、ガラス光学素子素材の軟化温度よりも高い
温度で短時間予備加熱を行うことによって、ガラス光学
素子素材角部に曲率ができるために、成形時に角部から
欠けたりすることがなくなる。また、成形時にガラス光
学素子素材は成形型と面接触であるために熱伝導が素材
の外周から均等に行われるため、温度分布が発生しにく
い。更に、成形直前の予備加熱によってガラス光学素子
素材側面の表面粗さが向上しているので、素材側面の表
面粗さがガラス光学素子の透過率に影響を与えることも
ない。

【００２８】成形途中に於て成形圧力を零にし、型内の
圧力を常圧に戻すことにより、従来発生していた空気の
巻き込みによる成形不良がなくなり、形状精度、面精度
共に優れたガラス光学素子を成形できる。また上下の金
型とガラス光学素子素材が、常に密着した状態で成形が
可能であるために、上下型の精度をそのままガラス光学
素子素材に転写できる。又、軸ズレも防止できる。

【００２９】更に上下型とガラス光学素子素材が常に密
着した状態で成形することが可能であるために、ガラス
光学素子の両面の傾きを成形ステージと加圧ステージ或
は、金型と胴型によって容易に保障できる。金型とガラ
ス光学素子素材が密着していることにより、金型からガ
ラス光学素子素材に伝わる熱の温度分布が均一であり、
ガラス光学素子素材の成形途中の変形、及び冷却時の収
縮が不均一とならないために形状精度の良いガラス光学
素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガラス光学素子の製造方法の実施例に
おいて用いるガラス光学素子素材の斜視図

【図２】本発明のガラス光学素子の製造方法を具現化し
た成形装置の断面図

【図３】図２の成形装置において予備加熱されたガラス
光学素子素材の斜視図

【図４】本発明の製造方法における成形時の温度制御特
性図

【図５】従来の成形装置の断面図

【図６】従来の成形法における成形途中の型とガラス光
学素子素材の断面図

【図７】従来の成形時の温度制御特性図。

【符号の説明】

１ ガラス光学素子素材 １Ａ 予備加熱後のガラス光学素子素材 ２ 角部 ２Ａ 曲率部 ３ 平坦部 ４ 上型 ５ 下型 ６ 胴型 ７ 成形装置 ８、８ａ シャッター ９ 投入ステージ １０ 予備加熱ステージ １１ 成形ステージ １２ 取り出しステージ １３、１３ａ 上ヒータブロック １４ ガラス光学素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C03B 11/00 C03B 23/049

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第一の型と第二の型とからなる成形型の内
   部空間に供給された円柱形状のガラス光学素子素材を、
   ガラス光学素子素材の軟化温度よりも高い温度で短時間
   予備加熱して、ガラス光学素子素材の角部に曲率を形成
   し、表面粗さを向上させた後、ガラス光学素子素材の屈
   伏温度と軟化温度の間に加熱しながら加圧成形すること
   を特徴とするガラス光学素子の成形方法。
2. 【請求項２】加熱加圧成形中に成形圧力を少なくとも一
   回以上零にするかあるいは減圧することを特徴とする請
   求項１記載のガラス光学素子の成形方法。
3. 【請求項３】第一の型と第二の型とからなる成形型の内
   部空間に供給されたガラス光学素子素材は常に接触した
   状態で成形されることを特徴とする請求項２記載のガラ
   ス光学素子の成形方法。