JP3359235B2

JP3359235B2 - 光学素子のプレス成形装置

Info

Publication number: JP3359235B2
Application number: JP23179496A
Authority: JP
Inventors: 雅志真重; 伸行中川; 正樹大森
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-09-02
Filing date: 1996-09-02
Publication date: 2002-12-24
Anticipated expiration: 2016-09-02
Also published as: JPH1081524A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、非球面レ
ンズなどの複雑な形状を有する光学素子を、高精度にプ
レス成形することができる光学素子の成形装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学機器の小型化、軽量化にとも
ない、光学系に使用されるガラスレンズとして、非球面
形状のレンズが望まれている。そして、このような非球
面形状を有するガラスレンズの製造方法として、所定の
表面精度を有する成形用型内に、光学素子材料を挟み込
み、プレス成形することで、光学素子を成形する方法
が、既に提唱されている。

【０００３】この成形方法では、例えば、特公昭６１−
３２２６３号公報に開示してあるように、所望の光学素
子の最終形状に正確に対応する型表面形状を有する上下
１対の型部材の間に、ガラス素材を挟み込み、上記ガラ
ス素材の粘度が１０⁸〜５×１０¹⁰ポアズの範囲に相当
する温度で、プレス成形を行い、その後、ガラス素材と
型部材との温度差が、少なくとも２０℃以上にならない
ように配慮しながら冷却を行い、ガラス素材が、その粘
度が１０¹²ポアズよりも小さくなる相当温度域にて、型
部材間から上記ガラス素材を取り出すのである。その結
果、従来のような研削、研磨作業を行わなくても、高精
度な光学素子を得ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の方法（特公昭６１−３２２６３号公報に所載
の成形方法）では、例えば、凹メニスカスレンズのよう
に、成形されるべき光学素子の径が可成り大きい場合、
そのレンズ径に対応して、型部材も大きくなり、その型
部材の温度分布のバラツキが無視できないレベルになっ
てしまうことがある。また、凹レンズのように、レンズ
の中心部に比較して、周辺部の肉が厚い形状のレンズで
は、その精度が、型部材の温度分布のバラツキ、特に、
型部材の周辺部での温度分布のバラツキに対して敏感に
影響される。そして、結果的には、レンズの光学機能面
に、光軸を中心とする軸対称でない形状誤差が生じてし
まう虞があった。

【０００５】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
ので、型部材の周方向に関して、その温度分布を均一化
するように、温度制御を行い、これによって、従来まで
光軸を中心として軸対称とならないような、形状誤差が
生じ易い光学素子の場合でも、高精度なプレス成形を可
能にする光学素子の成形装置を提供しようとするもので
ある。

【０００６】

【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
レス成形し、光学素子を得るプレス成形に際して、型部
材の周方向に関して、所要に分割された領域に対する温
度についての温度制御手段を具備し、前記温度制御手段
が、型部材の周辺にリング状に配置された１個のヒータ
と、各分割領域での型部材とヒータとの距離を調整し成
形中の型部材及びガラス素材内の周方向の温度分布を制
御する制御手段とで構成されている。

【０００７】従って、成形型に対するガラス素材の導入
口、導出口などの構造的理由などで、型部材の周方向に
関して、型部材に温度分布のバラツキがあっても、これ
を修正することができ、均一化が達成されるから、形状
誤差が生じ易い光学素子の場合でも、高精度なプレス成
形を実現できる。

【０００８】

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面を参照にして、詳細に説明する。なお、この実施
の形態で対象とする光学素子は、図１に示すように、ガ
ラス素材に重クラウンガラス（ＳＫ１２）を使用した凹
レンズである。図２には、この凹レンズを成形加工する
ための成形用胴型１の構成が示されており、ここでは、
上型部材２と下型部材３とによる、ガラス素材４のプレ
ス動作が終了し、ガラスレンズの成形が、ほぼ完了した
状態を示している。

【００１０】図２において、成形用胴型１には、上下に
貫通した状態で、貫通穴が形成されており、上側の貫通
穴には、円柱状に形成された、上述の上型部材２が嵌合
し、上下方向に摺動動作できるようになっている。上型
部材２は、その上端部に円盤状のフランジ部を形成して
おり、このフランジ部が、レンズの厚みを調整するスペ
ーサを介して、成形用胴型１の上面に対して上方から当
接することにより、上型部材２のプレスストロークを規
定している。また、上型部材２は、その下面に成形面が
形成されていて、これによって、プレス成形時、ガラス
素材４を押圧して、その表面に所望の形状を転写し、光
学機能面を形成する。

【００１１】一方、下側の貫通穴には、上型部材２と同
様に、円柱状に形成された、上述の下型部材３が、嵌合
し、上下方向に摺動動作できるようになっている。下型
部材３は、その上端面に成形面が形成されていて、これ
によって、プレス成形時、ガラス素材４の下面に所望の
形状を転写し、光学機能面を形成する。

【００１２】また、成形された凹レンズ（ガラス素材
４）の厚みは、上述したように、上型部材２のフランジ
部が、成形用胴型１の上面に当接することにより、上型
部材２の動きを規制されることで、設定され、プレス成
形加工の都度、凹レンズ（成形品）の厚みが変化しない
ように工夫されている。

【００１３】また、この実施の形態では、成形用胴型１
の左右側面に開口穴が形成されており、この開口穴を介
して、成形用胴型１の内部にガラス素材４が供給される
と共に、成形の完了した凹レンズ（成形品）が成形用胴
型１の内部から取り出されるようになっている。また、
成形用胴型１内には、その四隅に位置した状態で、この
成形用胴型１、上型部材２、下型部材３を加熱すると共
に、これら成形用胴型１、上型部材２、下型部材３を介
して、伝熱作用で、ガラス素材４を加熱するために、ヒ
ータ５が配置されている。

【００１４】特に、本発明では、上下型部材２および３
の周辺部には、温度制御手段の一部として、リングヒー
タ６（加熱手段）が巻かれている。このリングヒータ６
は、例えば、下型部材２について、図２のＡ−Ａに沿う
断面で示された図３で明らかなように、その４分割領域
Ａ〜Ｄについて、加熱条件を考察すると、成形用胴型１
の構造が、平面視で、ヒータ５の領域ＡおよびＣの方向
に柱が存在しているのに対して、ヒータ５の領域Ｄおよ
びＢの方向に柱がなく、ガラス素材４や凹レンズ（成形
品）の出し入れのための窓が開いており、また、成形用
胴型１自体の平面視における形状も正方形ではなく、ヒ
ータ５の領域ＡおよびＣの方向に長い、所謂、長方形を
なしているという２点の理由により、領域ＢおよびＤの
方向では、外気の影響を受けやすく、また、領域Ａおよ
びＣの方向では、外気の影響を受けずらい、上下型部材
２および３への非対称な影響が考えられる。

【００１５】この非対称性によって、凹レンズの光学機
能面に軸対象でない変形が、ガラス素材４に生じると考
えられる。このため、上述のリングヒータ６は、４分割
領域Ａ〜Ｄに対応した４ブロックに分割したものが使用
され、その各ブロックのヒータは、それぞれ、接触して
いる下型部材３の表層温度によって、各自、独立に発熱
量が制御されるように、温度制御手段の制御部（図示せ
ず）を併設している。なお、各ブロックのヒータには、
それぞれ、２００Ｖ、４００Ｗのニクロム線が使用され
ている。また、上型部材２の周辺部に配置したリングヒ
ータ６も、上述の下型部材３の周辺のリングヒータ６と
同じ構成のものを、同じように配置してある。

【００１６】

【実施例】

（第１の実施例）次に、上述のように、成形用胴型１、
上下型部材２および３で構成された成形用型において、
リングヒータ６には一切通電しない状態、即ち、従来ま
での方法と同じ条件で、凹レンズを成形した実施例を示
す。

【００１７】まず、成形用胴型１に対して、上型部材２
を上方にスライドさせて置く。この状態で、オートハン
ドなどの搬送手段により、所定の温度に加熱されたガラ
ス素材４を、下型部材３の成形面（上面）に供給する。
なお、成形用胴型１、上型部材２および下型部材３は、
ヒータ５によって、所定の成形条件に対応した温度に加
熱されている。本実施例においては、その加熱温度は、
ガラス素材４の粘度で１０^9.5ポアズに相当する温度
（６２０℃）であった。

【００１８】この条件で、ガラス素材４に対して、上下
型部材２、３間に４０００Ｎの荷重を負荷し、プレス成
形を行うと、ガラス素材４は、次第に、水平方向に流動
しながら、押しつぶされて、最終的には、図１に示した
ような状態となる。この状態においては、ガラス素材４
の上下には、上型部材２の成形面および下型部材３の成
形面の形状が転写され、成形品の光学機能面が形成され
る。

【００１９】この後、成形された凹レンズ（成形品）
は、所要の冷却速度で、冷却される。なお、本実施例で
は、この冷却過程において、ガラス素材４が、上下型部
材２および３の間で、不均等に剥離してしまうことを防
ぐために、ガラス素材４の粘度で１０^10.5ポアズに相当
する温度（６００℃）になった時点から、３２００Ｎの
荷重を負荷し、その状態で、ガラス素材４の粘度で１０
^13.5ポアズ以上に相当する温度（５３０℃）まで冷却を
行った。

【００２０】以上の工程の後、所定の温度（取出し温
度）まで、本実施例では、ガラス素材４の粘度が１０¹⁴
ポアズに相当する温度（５００℃）まで、温度が低下し
たときに、オートハンドなどの搬送手段により、凹レン
ズ（成形品）を外部に取り出した。なお、この時の冷却
速度は、約８０℃／ｍｉｎである。

【００２１】以上の従来方法のプロセスによって成形し
た凹レンズの光学機能面を、フィゾー干渉計によって調
べた結果は、図４に示す通りである。図４から明らかな
ように、Ｒ＝１４．８の面でも、Ｒ＝３０の面でも、干
渉縞が、明確に楕円形をしており、ヒータ６の分割領域
ＤおよびＢの方向には、ニュートンリングが４〜５本で
あり、一方、ヒータ６の分割領域ＡおよびＣの方向に
は、ニュートンリングが１〜２本であり、従来までの成
形方法では、光学機能面に光軸を中心とする軸対称でな
い形成誤差が生じているのが解る。

【００２２】そこで、次に、本発明による方法で成形し
た場合の実施例を示す。先ず、所定の温度に加熱された
ガラス素材４を、下型部材３の成形面（上面）に供給
し、ガラス素材４の粘度で１０^9.5ポアズに相当する温
度（６２０℃）において、上下型部材間に４０００Ｎの
荷重を負荷し、プレス成形を行い、ガラス素材４が図１
に示したような状態になるところまで加工する。これま
では、従来方法と同じである。

【００２３】次に、上述した従来の冷却工程と同じであ
るが、冷却中にガラス素材４に、ガラス素材４の粘度で
１０^10.5ポアズに相当する温度（６００℃）になった時
点から、３２００Ｎの荷重を負荷し、この状態で、ガラ
ス素材４の粘度で１０^13.5ポアズ以上に相当する温度
（５３０℃）まで冷却を行ったが、その間に、リングヒ
ータ６に通電し、分割領域Ａ〜Ｄの各ブロックのヒータ
に対する各別の温度が、各制御点で同等になるように、
制御部において、分割領域Ａ〜Ｄの４つの制御点の温度
を検出し、これらと、プログラム温度コントローラの設
定温度（コントローラは、それぞれ独立して、各制御点
ごとにセットしてあるが、各コントローラの設定温度
は、４つとも、同じ温度に設定してある）との差を計算
し、ＰＩＤフィードバック制御によって、各ヒータごと
に独立した温度制御を行いつつ、成形品の冷却を行っ
た。結果として、４つのコントローラの設定温度は、同
じに設定されているため、ヒータ６の分割領域Ａ〜Ｄの
制御点の温度は、常に同温に保たれた状態で、冷却工程
が行われたことになる。

【００２４】以上の本発明の方法のプロセスによって成
形した凹レンズの光学機能面を、フィゾー干渉計によっ
て調べた結果は、図５に示す通りである。図４と比較し
てみると、Ｒ＝１４．８の面でも、Ｒ＝３０の面でも、
明らかに、干渉縞が綺麗な円形をしており、各ヒータの
方向とも、ほぼ同数のニュートンリングが見られる。こ
のことから、本発明の方法によって、光学機能面に生じ
る光軸を中心とする軸対称でない形状誤差を防止できて
いることが解る。

【００２５】また、本発明の方法によって、凹レンズを
連続的にプレス成形した結果では、各成形品について、
その光学機能面において、光軸を中心とする軸対称でな
い形状誤差の各方向間の差が、ニュートンリング１本以
下に納まっていた。

【００２６】（他の実施例）本発明の他の実施例とし
て、ガラス素材をフリントガラス（Ｆ８）にし、成形す
る光学素子の形状を、図６に示す凹メニスカス形状とし
て、プレス成形した場合について説明する。

【００２７】ここでは、成形するレンズが、第１の実施
例に比較して大口径であるため、使用した成形装置は、
図７に示すように、昇温用のヒータ５′が上下型部材
２′、３′の中に配置してある。また、冷却過程に関し
ても、上下型部材２′、３′の体積が大きく、単なる自
然放冷では、冷却に時間がかかるため、図に示すように
冷却媒体であるＮ₂ガスを流す流路７が付けられてい
る。

【００２８】また、下型部材２′の周辺部には、本発明
に係わるリングヒータ６′が巻かれている。この場合、
第１の実施例と違い、上型部材２′の周辺には、リング
ヒータを必要ない。それは、凹メニスカスレンズの上型
部材２′側は、光線有効径が小さいため、周辺の温度バ
ランスの影響を受けにくく、軸対称でない形状誤差を生
じにくいためである。

【００２９】図８は、図７のＡ−Ａに沿う断面図である
が、図で示すように、成形用胴型の構造の非対称性、さ
らには、冷却用Ｎ₂による冷却効果によって、凹メニス
カスレンズ（成形品）の光学機能面に、軸対象でない変
形が生じると考えられるため、リングヒータ６′は、図
に示すような、平面視で、楕円形の一体物を使用し、冷
却用Ｎ₂および成形用胴型の非対称性によって、下型部
材３′の温度が低くなると思われる部分に、リングヒー
タ６′を接触させて、同じ発熱量でも、下型部材３′に
対する昇温効果を高くし、また、下型部材３′の温度が
相対的に高くなる部分には、リングヒータ６′から所望
の距離を置くような配置になっている。これによって、
下型部材３′からの距離を調整するだけで、１つのヒー
タのみでも、下型部材３′の温度分布を任意に制御でき
ることになる。なお、この実施例ではリングヒータ６′
に、２００Ｖ、６００Ｗのモノを使用した。

【００３０】上記の型構造によってプレス成形を行う
が、第１の実施例に比較した場合、ガラス素材４′が異
なり、フリントガラス（Ｆ８）であるから、温度を５２
０℃に、また、ガラス素材４′の形状が凹メニスカスの
大口径であるため、６０００Ｎの荷重を負荷し、ガラス
素材４′を、図６に示した状態となるところまで、プレ
ス成形する。

【００３１】次に、５００℃になった時点から、４５０
０Ｎの荷重を負荷した状態で、所要の冷却速度で４５０
℃まで冷却を行った。勿論、その間は、リングヒータ
６′に通電し、温度制御を行っている。

【００３２】以上の本発明の方法のプロセスによって成
形した凹メニスカスレンズの光学機能面を、フィゾー干
渉計によって調べた結果は、図９に示す通りである。即
ち、レンズの両面とも、干渉縞が綺麗な円形をしてお
り、各領域の方向とも、ほぼ、同数のニュートンリング
が見られる。このことから、本発明の方法によって、光
学機能面に生じる光軸を中心とする軸対称でない形状誤
差を防止できていることが解る。

【００３３】また、本発明の方法によって、凹メニスカ
スレンズを連続的にプレス成形した結果、すべてのレン
ズの光学機能面において、光軸を中心とする軸対称でな
い形状誤差の各方向間の差が、ニュートンリング１本以
下に納まっていた。即ち、本発明の光学素子の成形方法
によれば、従来成形が困難であった形状、大きさの光学
素子を、高精度に成形することが可能となる。

【００３４】なお、本発明は、その主旨を逸脱しない範
囲で、上述の実施の形態を修正または変形したものにつ
いて、適用することが可能である。例えば、上述の実施
例に挙げる凹レンズとメニスカスレンズを成形する場合
以外に、本発明は、その他の形状の光学素子、例えば、
凸レンズや、平板状の光学素子のプレス成形にも、適用
が可能である。また、型部材の温度を制御するヒータと
して、型部材の内部に数個のヒータを設置し、その温度
制御を行う方法が、さらには、本発明の主旨が『型部材
の周方向の温度を、均等に設定できる手段』であるか
ら、ヒータに代えて、逆の熱交換を行う冷却素子を使用
する方法も採用できる。

【００３５】また、本実施例で採用された、型部材内の
温度分布を無くす方向で温度制御を行う方法の代わり
に、例えば、非対称な光学機能面を有するトーリックレ
ンズなどの成形の際には、型部材内において、強制的に
温度を均一化する温度分布を保持させ、積極的に軸対称
でない形状誤差を発生させることも、勿論、可能なので
ある。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による光学
素子のプレス成形装置によれば、温度制御手段が、型部
材の周辺にリング状に配置された１個のヒータと、各分
割領域での型部材とヒータとの距離を調整し成形中の型
部材及びガラス素材内の周方向の温度分布を制御する制
御手段とで構成されていることで、従来まで、光軸を中
心とする軸対称でない形状誤差が生じ易い光学素子で
も、高精度な成形が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態について、適用される光学
素子形状の一例を示す概略図である。

【図２】同じく、上述の実施の形態を示す成形用型の構
成を示した図である。

【図３】同じく、その温度制御手段を示す概略図であ
る。

【図４】上述の実施の形態における実施例として、従来
までの方法で成形を行った際の、レンズの光学機能面を
フィゾー干渉計によって調べた結果を示す顕微鏡写真の
写しである。

【図５】同じく、本発明の方法で成形を行った際の、レ
ンズの光学機能面をフィゾー干渉計によって調べた結果
を示す顕微鏡写真の写しである。

【図６】本発明について、第２実施例に採用された光学
素子の形状の概略図である。

【図７】同じく、第２実施例で採用された成形用型の構
成を示した図である。

【図８】同じく、第２実施例での温度制御手段の概略図
である。

【図９】同じく、本発明の方法で成形を行った際の、レ
ンズの光学機能面をフィゾー干渉計によって調べた結果
を示す顕微鏡写真の写しである。

【符号の説明】

１成形用胴型２上型部材３下型部材４ガラス素材５昇温用ヒータ６温度制御手段７冷却媒体用流路

フロントページの続き (56)参考文献特開平７−33453（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C03B 11/12

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成形し、光学素子を得るプレス成形
に際して、型部材の周方向に関して、所要に分割された
領域に対する温度についての温度制御手段を具備し、前
記温度制御手段が、型部材の周辺にリング状に配置され
た１個のヒータと、各分割領域での型部材とヒータとの
距離を調整し成形中の型部材及びガラス素材内の周方向
の温度分布を制御する制御手段とで構成されていること
を特徴とする光学素子のプレス成形装置。