JP3717102B2 - 光学素子のプレス成形装置及びその成形方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱されたガラス素材をプレス成形して得られる、光学素子のプレス成形装置、及び、その成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より研磨工程を必要としないガラスレンズの製造方法として、ガラス素材を加熱し、上下一対の型でプレス成形する方法が行われており、非球面レンズなどの製品を効率良く生産できるため、様々な形状への展開が行われている。
【０００３】
その際に、如何に成形型の成形面を、忠実にガラス製品側に転写するかが、高精度な光学素子を得るための重要な課題となっており、それを達成するために、プレス時においては、光学素子の光学機能面に対応する成形型の成形面に、ガス残りが発生しないようにする必要があり、例えば、凸レンズを成形する場合、成形型の成形面の曲率半径よりも、ガラス素材の曲率半径が小さくなるようにして、雰囲気ガスが成形型とガラスとの間に取り残されないようにする工夫がなされている。
【０００４】
しかしながら、曲率のきつい（曲率半径の小さな）レンズや、非球面などの形状が複雑なレンズの場合には、ガラス素材の形状だけでは、対応が難しくなっており、また、仮に対応できたとしても、ガラス素材のコストが上がってしまうなどの問題があった。このため、近年では、プレス時に成形雰囲気を排除して、真空状態とする方法が開発されている。ただ、成形過程の加熱・冷却時も、真空状態とした場合、雰囲気との熱交換（対流）がされなくなるため、加熱・冷却時間が延びたり、成形型と熱電対などの温度センサーとの接触状態の違い（隙間の有無）によって、温度測定値に誤差が出易くなるなどの問題がある他、ガラスのハンドリング時に、真空吸着による搬送方法が使えないなど、常時、真空状態で成形する方法には、多くの不具合があり、好ましくない。
【０００５】
そこで、プレス時のみ真空にする方法が有利となるが、成形サイクル中に真空引き及び不活性ガス充填の工程が増えるため、サイクルタイムがみだりに増加しないように、真空引き及び不活性ガス充填の時間をできるだけ短縮する工夫が必要である。また、成形サイクルを短くするために、従来と同様に、成形品を成形型からできるだけ高温で取り出すことが望ましく、その場合、成形型の酸化防止を考えると、不活性ガス雰囲気中で行う必要がある。
【０００６】
従来の成形装置を見てみると、特開平３−１７７３１８号公報の発明では、不活性ガス雰囲気中で成形するための装置において、１つの成形室内に成形型と、成形型内へガラスの出し入れを行うハンドとがあり、また、成形室の隣りには置換室が設けられており、この置換室を通して、外部とのガラス素材、成形品の出し入れを行うことにより、成形室の雰囲気を損なうことなく、連続して成形を行うことができる。よって、成形型を酸化させることなしに、成形後の成形品を高温で取り出すことが可能となり、成形サイクルを大幅に短縮する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の成形装置を用いて、プレス時のみ、真空にする成形方法を行った場合、次のような問題点がある。即ち、この成形装置では、１つの成形室内に成形型および成形型内へガラスの出し入れを行うハンドなどが、一緒に装備されているため、成形室が比較的大きなものとなる。このため、雰囲気ガスを除くための真空引き時間が長くなり、それだけ、成形サイクルも延びてしまい、また、その間の成形型、ガラスの温度制御が不安定になるという問題があった。
【０００８】
よって、成形室をできるだけ小さなものとする必要があるが、単に、上述のハンドを成形室の外に置いた場合は、ガラスの出し入れを行う際に、成形型が外の雰囲気（大気）に曝される。このため、型の酸化を防止するのに、成形型、ガラス成形品を十分に冷やしてから取り出す必要があり、成形サイクルが大幅に延びてしまう。
【０００９】
本発明は、上記事情に基づいてなされたもので、プレス時のみ、成形雰囲気を真空にする成形方法を行うに際して、成形サイクル短縮を図り、真空雰囲気での温度制御に与える影響を、必要最小限に抑えるようにした光学素子のプレス成形装置、及び、その成形方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光学素子のプレス成形装置では、上下一対の成形型を用いて、加熱軟化したガラス素材をプレス変形させ、冷却した後に、成形型からガラス成形品を取出す、光学素子のプレス成形装置において、雰囲気置換が可能な第１の密閉チャンバーと、前記第１の密閉チャンバー内を不活性ガスに雰囲気置換することが可能な雰囲気置換装置と、前記第１の密閉チャンバー内に収容されて、これとは独立して雰囲気置換が可能な第２の密閉チャンバーと、前記第２の密閉チャンバー内に収納される前記成形型と、前記第２の密閉チャンバー内を真空にすることのできる真空装置とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の光学素子のプレス成形法では、上下一対の成形型を用いて、加熱軟化したガラス素材をプレス変形させ、冷却した後に、成形型からガラス成形品を取出す、光学素子のプレス成形方法において、雰囲気置換が可能な第１の密閉チャンバーと、前記第１の密閉チャンバー内に収容されて、これとは独立して雰囲気置換が可能な第２の密閉チャンバーと、前記第１および第２の密閉チャンバー内の雰囲気を置換する雰囲気置換装置とを使用し、前記ガラス素材を搬入後あるいは事前に、前記第１の密閉チャンバー内を不活性状態に雰囲気置換する工程と、不活性状態の前記第２の密閉チャンバー内の前記成形型に前記ガラス素材を搬入する工程と、前記第２の密閉チャンバーを密閉する工程と、前記成形型に載置されたガラス素材を加熱し、前記第２チャンバー内を真空装置により真空引きして、プレス成形する工程と、前記成形ガラスを前記第２の密閉チャンバーの外へ取出す工程とからなることを特徴とする。
【００１２】
このように、成形型を取り囲む、必要最小限の容量のチャンバーを、新たに設置することで、プレス前に、型周りのみの雰囲気を真空とし、また、型へのガラスの出し入れを不活性ガス雰囲気中で行うことができる。
【００１３】
なお、本発明の実施の形態として、光学素子のプレス成形装置において、第１の密閉チャンバーと隣接した位置に、第１の密閉チャンバーとは独立して雰囲気置換が可能なガラスの入替え室を設け、また、この入替え室を密閉に開閉可能な構造とすることにより、前記ガラス移送手段などを有することで、比較的容量が大きくなる第１の密閉チャンバーの雰囲気を変えることなく、比較的容量の小さな入替え室の雰囲気のみ置換して、常時、第１の密閉チャンバー内へのガラスの供給／取出しを行うようにすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図３を参照して、具体的に説明する。図１、図２は本発明の第１の実施の形態における、光学素子のプレス成形装置の縦断面図であり、図１はプレス時の状態を示し、図２はガラス投入時の状態を示すものである。また、図３は本発明の第２の実施の形態における、光学素子のプレス成形装置の縦断面図である。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１、図２において、外チャンバー１は、外気との雰囲気を遮断するための密閉構造となっており、また、その出入り口には、ゲートバルブ１３を取付けてあって、駆動源２１により、開閉可能に構成してある。そして、このゲートバルブ１３に対して、別の駆動源１７により密着・離脱可能な入替え室３が構成されており、この入替え室３の内部には、更に別の駆動源２０により、上下に移動可能な受け台１２が設置されている。
【００１６】
一方、外チャンバー１の内部には、胴型８が固定されており、この胴型８の中心軸上には、この胴型８を上下に貫通した状態で、貫通穴が形成されている。これらの貫通穴の内、上側の貫通穴には、上型部材６が、嵌合した状態で、上下方向に沿って摺動可能に挿入されている。
【００１７】
そして、上型部材６の下面には、ガラス素材９を押圧して、その表面に所望の光学機能面を転写するための成形面が形成されており、さらに、上型部材６の上方で、外チャンバー１の外部には、ガラス素材９に印加するプレス圧を発生させるための駆動源１４が配置され、かつ、外チャンバー１を貫通する構成で、プレス圧を伝える上軸４が配置されている。また、胴型８の上部には、上型部材６を加熱するためのヒータ１０が内設されている。
【００１８】
また、胴型８の下側の貫通穴には、下型部材７が、嵌合した状態で、上下方向に沿って摺動可能に挿入されている。
【００１９】
そして、下型部材７の上面には、ガラス素材９の下面に所望の光学機能面を転写するための成形面が形成されており、また、下型部材７の下部で、外チャンバー１の外部には、駆動源１５が配置され、かつ、外チャンバー１を貫通する構成で、駆動源１５に接続した下軸５が設置されている。また、胴型８の下部には、下型部材７を加熱するためのヒータ１０が内設されている。
【００２０】
さらに、外チャンバー１の内部で、胴型８の外周には、型全体を覆う構成で、外チャンバー１との雰囲気を遮断するための内チャンバー２が設置されており、外チャンバー１の外部に配置された駆動源１６により、上軸４とは独立に、上下に移動可能に構成され、内チャンバー２の下部開口部を、外チャンバー１の底部に密着させることにより、密閉空間を形成する構成となっている。
【００２１】
また、外チャンバー１の内部には、内チャンバー２の内外における、ガラス素材９及び成形品２９の受け渡しを行うためのハンド１１が設置されており、外チャンバー１の外部に配置された駆動源１８により、回転動作を、また、別の駆動源１９により、上下動作を、それぞれ、行って、下型７と受け台１２とのガラス素材９及び成形品２９の受け渡しが可能となるように構成されている。
【００２２】
なお、外チャンバー１、内チャンバー２、入替え室３には、それぞれ、独立に雰囲気置換が行えるように、Ｎ2 ガス導入管、真空排気管が個別に接続されており、それぞれに開閉弁Ｎ１〜３、Ｖ１〜３が用意され、また、リーク弁Ｒ１〜３も用意されている。
【００２３】
さらに、Ｎ2 ガス供給源、真空排気元にも、開閉弁Ｎ０，Ｖ０が用意され、例えば、Ｎ2 ガス供給源のＮ2 弁Ｎ０を閉じて、外チャンバー１と入替え室３のＮ2 弁Ｎ１，Ｎ３を開いて、両者をリークさせることで、ともに同じ圧力の雰囲気とすることもできる。
【００２４】
次に、上記のように構成された装置により、レンズを成形する手順について説明する。まず、図１のように外チャンバー１の出入り口のゲートバルブ１３を閉じておき、内チャンバー２については、上方位置に移動して、開いておく。また、Ｎ2 ガス供給源のＮ2 弁Ｎ０、真空排気元の真空弁Ｖ０も開いておく。
【００２５】
この状態で、外チャンバー１の真空弁Ｖ１を開いて真空引きを行い、所定の真空度に到達した時点で、真空弁Ｖ１を閉じ、次に、外チャンバー１のＮ2 弁Ｎ１を開いてＮ2 ガスを供給し、所定の圧力に到達した時点で、Ｎ2 弁Ｎ１を閉じ、外チャンバー１内の雰囲気置換を完了する。
【００２６】
次に、外チャンバー１の外にあるガラス素材９を型内に搬送するが、まず、図１に示すように、外チャンバー１の外部で待機している受け台１２の上に、外部ハンド（図示せず）により、ガラス素材９が供給されると、入替え室３が上昇して、閉じたゲートバルブ１３に密着し、密閉空間を形成する。ここで、入替え室３の真空弁Ｖ３を開いて、真空引きを行い、所定の真空度に到達した時点で、真空弁Ｖ３を閉じ、次に、入替え室３のＮ2 弁Ｎ３を開いて、Ｎ2 ガスを供給し、所定の圧力に到達した時点で、Ｎ2 弁Ｎ３を閉じ、入替え室３内の雰囲気置換を完了する。そこで、ゲートバルブ１３が開き、図２に示すように、受け台１２が上昇し、ガラス素材９が外チャンバー１内で待機した状態となる。
【００２７】
次に、予め、上型部材６を胴型８に対して上方にスライドさせ、下型部材７から逃がし置くと、この状態で、ハンド１１がガラス素材９を保持して、胴型８の開口部より、下型部材７の成形面上に供給する。この時の動作は、まず、ハンド１１が下降して、ハンド１１の、ガラス素材９の保持部を、受け台１２に載置されたガラス素材９に接近させる。そして、例えば、真空吸着作用により、ガラス素材９を保持した後、ハンド１１は上昇し、次に、回転動作により、ハンド先端を胴型８の開口部より挿入し、ガラス素材９が下型部材７の上に来たところで停止し、その後、ハンド１１が下降して、ガラス素材９が下型部材７に接近したところで、ハンド１１からガラス素材９が開放されて、下型部材７上に置かれる。なお、この時、上型部材６及び下型部材７は、ヒータ１０により、所定の成形条件に対応した温度に調整されている。
【００２８】
ガラス素材９が下型部材７の成形面上に供給されると、胴型８の開口部より、加熱部材（図示せず）が挿入され、ガラス素材９の加熱を行う。なお、ガラス素材９は、型外で予め加熱されたものを型内に供給する方式にしてもよい。上型部材６、下型部材７及びガラス素材９が、プレス前の所定の温度に到達すると、加熱部材（図示せず）が胴型８の外側に退避し、直ちに、内チャンバー２が下降して、外チャンバー１の底面に密着し、密閉空間を形成する。ここで、内チャンバー２の真空弁Ｖ２を開いて、真空引きを行う。型周りの雰囲気が所定の真空度に到達し、かつ、上型部材６及び下型部材７が所定のプレス温度に到達した時点で、上型部材６側の駆動源１４を押し出し動作させて、ガラス素材９の押圧成形を行う。そして、上型部材６のフランジ部下面が胴型８の上面に当接することにより、上型部材６での、ガラス素材９の変動動作が終了する。
【００２９】
その後、冷却工程へと移るが、この時、内チャンバー２の真空弁Ｖ２を閉じて、内チャンバー２のＮ2 弁Ｎ２を開き、Ｎ2 ガスを供給して、所定の圧力に到達した時点で、Ｎ2 弁Ｎ２を閉じ、さらに、内チャンバー２のリーク弁Ｒ２を開けて内チャンバー２内を外チャンバー１と同じＮ2 圧力とし、その後、リーク弁Ｒ２を閉じるか、あるいは、内チャンバー２の真空弁Ｖ２を閉じた後、直接、リーク弁Ｒ２を開けて、外チャンバー１よりＮ2 ガスを導入して、内チャンバー２内を外チャンバー１と同じＮ2 圧力とする。
【００３０】
そして、内チャンバー２を上方位置に移動させて開放し、これにより、内チャンバー２内に蓄積された熱も開放され、冷却効率を上げることができる。更に、Ｎ2 導入管（図示せず）による、型へのＮ2 ガスの吹き付けなどによって、冷却が促進されるが、型が所望の温度まで冷却されたとき、成形品２９の面形状が崩れないように、下型部材７により、成形品２９の下方から圧力を印加する。そして、この状態で冷却を続け、さらに、所定の温度まで到達したときに、下型部材７による圧力を解除する。
【００３１】
その後も冷却を行い、所定の温度まで到達したときに、上型部材１を上方に移動させ、下型部材７上の成形品２９を、ハンド１１により、型内に投入したのとは逆の動作で、胴型８の開口部より受け台１２へと取り出される。なお、受け台１２には、ガラス素材９を載置する場所と、成形品２９を載置する場所の２つが設けてあり、ハンドがガラス素材９を型内に投入し、成形している間に、受け台１２は、再び、外チャンバー１の外部より、新たなガラス素材９を受け取り、外チャンバー１内に戻っている。そこで、ハンド１１は、成形品２９を取り出すとともに、新たなガラス素材９を型内に投入し、再び、成形を開始する。
【００３２】
そして、成形品２９は外チャンバー１外へ搬出されるが、この時の動作は、まず、受け台１２が下降して入替え室３の中に入ると、ゲートバルブ１３が閉じて外チャンバー１が閉鎖される。次に、入替え室３のリーク弁Ｒ３が開いて、入替え室３内のＮ2 ガスの圧力を大気圧まで下げてから、リーク弁Ｒ３を閉じ、入替え室３を下降させ、大気中に開放する。
【００３３】
この状態で、外部ハンド（図示せず）により、受け台１２上の成形品２９を取り出すとともに、新たなガラス素材９を受け台１２上に載置し、再び、入替え室３を介して、外チャンバー１内に搬送し、次の成形が始まるまで、待機する。以上のようにして、プレス成形が繰り返し行われる。
【００３４】
ここで、カメラに使用されるレンズを、一事例にして、詳細な成形条件の説明を行うことにする。ここでは、ガラス素材９は、重クラウンガラス（屈折率：１．５８、アッベ数：５９．４、転移点：５０６℃）で、外径：φ１０ｍｍ、肉厚：３．５ｍｍの円板形状を使用し、下面側凸Ｒ＝４０、上面側凸非球面（近似Ｒ＝２９ｍｍ）で、外径：φ１２ｍｍ、中心肉厚：２．５ｍｍの両凸レンズを成形する。
【００３５】
まず、下型部材７の成形面上にガラス素材９を投入し、上型部材６及び下型部材７の温度が５７０℃（１０9.5 ポアズ相当）になり、しかも、ガラス素材９の温度も５７０℃（１０9.5 ポアズ相当）になった時点で、内チャンバー２を閉じて、内チャンバー２内の真空度が２．７Ｐａ（パスカル）以下となるように真空引きを行い、さらに、加熱を続け、上型部材６及び下型部材７の温度が５８０℃（１０9.0 ポアズ相当）になった時点で、上型部材６側の駆動源１４を２９００Ｎ（ニュートン）の力で、４０ｓｅｃ間、動作させ、上型部材６の押し込み動作を終了する。なお、その後も、胴型８に突き当てた状態の上型部材６の圧力は、そのまま保持しておく。その後、冷却を開始するとともに、直ちに、内チャンバー２内にＮ2 ガスを導入し、外チャンバー１内のＮ2 ガスと同圧にしてから、内チャンバー２を上昇させ、開放する。
【００３６】
そして、まず、５６０℃（１０9.8 ポアズ相当）になった時点で、下型部材７により、成形品２９に２０００Ｎ（ニュートン）の力を加え、このまま、冷却を続けて、４９０℃（１０13.5ポアズ相当）になった時点で、下型部材７の圧力を解除した。そして、さらに４７０℃（１０15.2ポアズ相当）まで冷却した後、上型部材６を上昇させて、型を開き、成形品２９の取出しを行った。
【００３７】
上記のような一連の動作により、レンズの成形を行ったが、円板形状のガラス素材を使用しても、ガス残りが発生するようなこともなく、良好な面精度の成形品を得ることができた。
【００３８】
また、内チャンバー２内の真空引きに要する時間は、２０ｓｅｃ．以下であり、１ショットに要する成形サイクルも５ｍｉｎ．以下とすることができた。因みに、外チャンバー１は容積が大きいため、真空引きには、５ｍｉｎ．以上を要する。
【００３９】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態における、光学素子のプレス成形装置の縦断面図であるが、第１の実施の形態とほぼ同様の成形装置であり、その違いは、まず、入替え室がなく、受け台４２が外チャンバー３１内に固定されており、外チャンバー３１の内外にガラスを出し入れするための出入り口が、受け台４２側の外チャンバー３１の側面に設けられており、ゲートバルブ４３により、外気と遮断されている。
【００４０】
また、胴型８に内設されたヒータ１０の他に、型及びガラスを加熱するためのヒータ４０が、内チャンバー３２の内側の側面に設置されており、内チャンバー３２の外側の側面には、冷却用の水冷ジャケットあるいはガス吹き付けによる冷却手段２２が設置され、第１の実施の形態と同様、上下方向に移動可能に構成されている。その他は、第１の実施の形態と同様なので、その説明は省略する。
【００４１】
次に、上記のように構成された装置により、レンズを成形する手順について説明する。まず、図３に示すように、外チャンバー３１の出入り口のゲートバルブ４３を閉じ、内チャンバー３２については、上方位置に移動して開いておく。また、Ｎ2 ガス供給源のＮ2 弁Ｎ０、真空排気元の真空弁Ｖ０も開いておく。
【００４２】
この状態で、外チャンバー３１の真空弁Ｖ１を開いて真空引きを行い、所定の真空度に到達した時点で、真空弁Ｖ１を閉じ、次に、外チャンバー３１のＮ2 弁Ｎ１を開いてＮ2 ガスを供給し、所定の圧力に到達した時点で、Ｎ2 弁Ｎ１を閉じ、外チャンバー３１内の雰囲気置換を完了する。
【００４３】
次に、内チャンバー３２を下降させて型を覆い、外チャンバー３１の底面とともに密閉空間を形成し、ヒータ１０により、型をガラス素材投入時の所定温度まで加熱保持しておく。ここで、外チャンバー３１の外にあるガラス素材を型内に搬送するが、まず、内チャンバー３２は下降させたままの状態で、外チャンバー３１のリーク弁Ｒ１を開いて、外チャンバー３１内のＮ2 圧力を大気圧まで下げる。そして、ゲートバルブ４３を開き、ガラス素材を保持した外部ハンド（図示せず）により、外チャンバー３１の外部から、内部の受け台４２に直接、ガラス素材を持ち込み、載置する。
【００４４】
その後、再度、外チャンバー３１内の雰囲気置換を行い、Ｎ2 雰囲気に戻した後、内チャンバー３２を上昇させて開き、第１の実施の形態と同様、受け台４２上にあるガラス素材を、ハンド１１により、下型部材３７の成形面上に供給する。このとき、上型部材３６及び下型部材３７は、前述のように、ヒータ１０により所定の成形条件に対応した温度に調整されている。
【００４５】
次に、再び、内チャンバー３２が下降して閉じ、ヒータ１０及び４０にて上型部材３６、下型部材３７及びガラス素材を加熱する。そして、上型部材３６、下型部材３７及びガラス素材が、プレス前の所定の温度に到達すると、直ちに、内チャンバー３２の真空弁Ｖ２が開いて真空引きを行い、その後、型周りの雰囲気が所定の真空度に到達し、かつ上型部材３６及び下型部材３７が所定のプレス温度に到達した時点で、上型部材３６側の駆動源１４を押し出し動作させて、ガラス素材の押圧成形を行う。
【００４６】
その後、冷却工程へと移るが、この時、内チャンバー３２の真空弁Ｖ２を閉じて、内チャンバー２のＮ2 弁Ｎ２を開き、Ｎ2 ガスを供給して所定の圧力に到達した時点で、Ｎ2 弁Ｎ２を閉じるが、この実施の形態においては、内チャンバー３２は下降して閉じたままの状態で、冷却を続けるのである。この状態のまま、Ｎ2 導入管（図示せず）による、型へのＮ2 ガスの吹き付けなどによって、冷却が促進される。一方、内チャンバー３２内のヒータ４０はオフとなり、冷却手段２２により内チャンバー３２自身も冷却される。これにより、内チャンバー３２は閉じたままであるが、さらに、冷却が促進される。
【００４７】
そして、型が所望の温度まで冷却されたとき、成形品３９の面形状が崩れないように、下型部材３７により、成形品３９に圧力が印加され、そして、この状態で冷却を続け、さらに、所定の温度まで到達したときに、下型部材３７による圧力を解除する。
【００４８】
その後も、冷却を行い、所定の温度まで到達した時点で、まず、内チャンバー３２のリーク弁Ｒ２を開けて、内チャンバー３２内を外チャンバー３１と同じのＮ2 圧力とした後、リーク弁Ｒ２を閉じてから、内チャンバー３２を、上方位置に移動させて開放し、さらに、上型部材３６を上方に移動させて、下型部材３７上の成形品３９を、ハンド１１により、胴型８の開口部より受け台４２へと取り出させる。
【００４９】
なお、受け台４２にも、ガラス素材を載置する場所と、成形品３９を載置する場所の２つが設けてあり、ハンドが、ガラス素材を型内に投入し、成形している間に、受け台４２は再び、外チャンバー３１の外部より、新たなガラス素材を受け取り、待機している状態にする。そこで、ハンド１１は、成形品３９を取り出すとともに、新たなガラス素材を型内に投入し、再び、内チャンバー３２を閉じて成形を開始する。
【００５０】
そして、成形品３９は外チャンバー３１外へ搬出されるが、この時の動作は、まず、内チャンバー３２が閉じた後に、外チャンバー３１のリーク弁Ｒ１が開いて、外チャンバー３１内のＮ2 ガスの圧力を大気圧まで下げてから、リーク弁Ｒ１を閉じ、ゲートバルブ４３が開いた後に、外部ハンド（図示せず）により、成形品３９を取り出すとともに、新たなガラス素材を受け台４２上に載置し、その後、ゲートバルブ４３が閉じて、再び外チャンバー３１内の雰囲気置換を行って、次の成形が始まるまで待機する。以上のようにプレス成形が繰り返し行われる。
【００５１】
ここで、第１の実施の形態と同様に、カメラに使用されるレンズを例に、詳細な成形条件の説明を行うことにする。
【００５２】
ガラス素材は、燐酸ガラス（屈折率：１．５６、アッベ数：６０．８、転移点：３４５℃）で、最終形状と同Ｒに両面を研磨した近似形状ブランクを使用し、下面側凸Ｒ６２でその表面には深さ：１０μｍ、ピッチ：１００μｍ〜１ｍｍの多数の同心円状の溝からなる微細形状があり、上面側凸Ｒ＝９６ｍｍで、外径：φ３４ｍｍ、中心肉厚：５．４ｍｍの両凸レンズ形状の、回折光学素子を成形する。
【００５３】
まず、下型部材３７の成形面上にガラス素材を投入した後に、内チャンバー３２を閉じて加熱を行い、上型部材３６及び下型部材３７の温度が３９０℃（ガラス粘度で、１０9.0 ポアズ相当）になり、しかも、ガラス素材の温度も３９０℃（ガラス粘度で、１０9.0 ポアズ相当）になった時点で、内チャンバー３２内の真空度が２．７Ｐａ（パスカル）以下となるように真空引きを行い、さらに、加熱を続けて、上型部材３６及び下型部材３７の温度が３９５℃（ガラス粘度で、１０8.7 ポアズ相当）になった時点で、上型部材３６側の駆動源１４を５９００Ｎ（ニュートン）の力で、６０ｓｅｃ間、動作させ、上型部材３６の押し込み動作を終了する。なお、その後も、胴型８に突き当てた状態の上型部材３６の圧力は、そのまま保持しておく。
【００５４】
その後、冷却を開始するとともに、直ちに、内チャンバー３２内にＮ2 ガスを導入し、そのまま、内チャンバー３２内にて冷却を続ける。そして、３８０℃（ガラス粘度で、１０9.7 ポアズ相当）になった時点で、下型部材３７により、ガラス成形品３９に４９００Ｎ（ニュートン）の力を加え、このまま冷却を続けて、３２５℃（ガラス粘度で、１０14.5ポアズ相当）になった時点で、下型部材３７の圧力を解除した。
【００５５】
そして、さらに３２０℃（ガラス粘度で、１０15.3ポアズ相当）まで冷却した後、外チャンバー３１内のＮ2 ガスと同圧にしてから、内チャンバー３２を上昇させて開放し、さらに、上型部材３６を上昇させて、型を開き、成形品３９の取出しを行った。
【００５６】
上記のような一連の動作により、回折光学素子の成形を行ったが、微細な溝形状をきちんと転写しており、ガス残りが発生するようなこともなく、転写性の良好な成形品を得ることができた。また、内チャンバー２内の真空引きに要する時間は、２０ｓｅｃ．以下であり、１ショットに要する成形サイクルも８ｍｉｎ．以下とすることができた。因みに、外チャンバー１は容積が大きいため、真空引きには５ｍｉｎ．以上を要する。
【００５７】
なお、第２の実施の形態では、入替え室がないため、外チャンバーの内外のガラスの出し入れは、内チャンバーが閉じている時に限られる他、ハンドリングごとに、外チャンバーの雰囲気置換を行っているので、Ｎ2 ガスの消費量も多くなるという面を持ち合わせているが、しかし、装置としては、シンプルとなるために、システム全体の成形のパターンに応じて、何れか（第１あるいは第２の実施形態）を選択するのがよい。
【００５８】
また、内チャンバーの内側にヒータ、外側に冷却手段を持っているため、冷却効率をさほど下げることなく、加熱効率を上げられる他、加熱時から冷却時にわたって、内チャンバーが閉じていることで、冷却効率は内チャンバーを開けている時より若干、不利となるものの、型周りの雰囲気を外部から遮断できるため、型やガラスの温度分布が少なくなり、より高精度な成形品を得ることができる。よって、この方法も、ガラス成形品の要求精度や要求コストに応じて選択するのがよい。
【００５９】
（他の実施の形態）
以上の実施の形態では、通常のレンズと回折光学素子の成形を例に説明しているが、これに限らず、自由曲面レンズや角物レンズなど、製品形状に対して、ガラス素材の形状を調整しづらく、それにより、ガス残りが発生するような物であれば、本発明は、適用できる。また、この実施の形態においては、１個取りの成形について説明しているが、多数個取りにおいても、もちろん適用できる。
【００６０】
さらに、本発明の第１の実施の形態では、胴型内のヒータにて、型の加熱を行っているが、加熱・冷却の方法については、特に限定するものではなく、第２の実施の形態のように、内チャンバーに設置されたヒータや冷却手段を使用してもよく、また、内チャンバーを開閉するタイミングについても、少なくとも、プレス時に閉じて、真空状態になっていればよく、加熱時から冷却時にわたって、内チャンバーを閉じている方法としてもよい。これらの技術的組合せは、要求される製品の精度やコスト（成形サイクル、装置コスト）などによって、予め、決めることができる。
【００６１】
また、本発明の第２の実施の形態においても、同様に、胴型内にヒータを設置して、型の加熱を行ってもよく、また、この時の説明では１ショット毎に外チャンバーからのガラスの出し入れを行っていたが、受け台を大きくして、数ショット分を一度に出し入れするようにしてもよい。これにより、ハンドの動きは多少複雑になるものの、毎回外チャンバー内を雰囲気置換する必要がなく、Ｎ2 ガス消費量を抑えることができる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したようになり、少なくとも、プレス前に、一旦、真空雰囲気にしてから、プレスを開始するためのプレス成形装置及びその成形方法において、第１の密閉チャンバー内に、型を取り囲む必要最小限の容量の第２の密閉チャンバーを設置することで、プレス前に真空引きを行う際の時間を大幅に短縮することができ、また、その後に充填する不活性ガスの使用量も削減することができるなどの多くの効果が得られる。
【００６３】
また、第２の密閉チャンバーの外側で、かつ、第１の密閉チャンバーの内側に、型からガラスの出し入れを行うハンドを設けたことで、不活性ガス雰囲気中で、ガラスの出し入れを行うことができ、それにより、型を酸化させることなしに、型が高温のままでのガラスの出し入れを可能となるから、大幅な成形サイクルの短縮を図ることができる。
【００６４】
さらに、入替え室を設けたことにより、第２の密閉チャンバーの開閉に関係なく、いつでも、第１の密閉チャンバーと外部とのガラスの出し入れが可能となるため、第２の密閉チャンバーの開閉のタイミングを成形条件に応じて自由に設定することができるようになり、また、第１の密閉チャンバーに比べて入替え室の容積はごくわずかであり、第１の密閉チャンバーと外部とのガラスの出し入れの際に要する不活性ガスの使用量も大幅に削減することができるなどの効果が得られる。
【００６５】
また、上記装置を使用して、加熱・冷却時は、不活性ガス雰囲気で、プレス時は真空雰囲気で成形を行うことにより、製品形状にかかわらず、ガラス素材の形状に工夫をすることなしに、ガス残りのない、転写性の優れた成形品を、より短い成形サイクルで得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態での光学素子の成形装置の縦断面図であり、プレス時の状態を示すものである。
【図２】同じく、光学素子の成形装置の縦断面図であり、ガラス投入時の状態を示すものである。
【図３】本発明の第２の実施の形態での光学素子の成形装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１，３１ 外チャンバー
２，３２ 内チャンバー
３ 入替え室
４ 上軸
５ 下軸
６，３６ 上型部材
７，３７ 下型部材
８ 胴型
９ 素材
１０，４０ ヒータ
１１ ハンド
１２，４２ 受け台
１３，４３ ゲートバルブ
１４〜２１，５１ 駆動手段
２２ 冷却手段
２９，３９ 成形品
Ｎ０〜Ｎ３ Ｎ2 弁
Ｖ０〜Ｖ３ 真空弁
Ｒ１〜Ｒ３ リーク弁
Ｎ2 Ｎ2 ガス供給源
Ｖａｃ 真空排気元
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱されたガラス素材をプレス成形して得られる、光学素子のプレス成形装置、及び、その成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より研磨工程を必要としないガラスレンズの製造方法として、ガラス素材を加熱し、上下一対の型でプレス成形する方法が行われており、非球面レンズなどの製品を効率良く生産できるため、様々な形状への展開が行われている。
【０００３】
その際に、如何に成形型の成形面を、忠実にガラス製品側に転写するかが、高精度な光学素子を得るための重要な課題となっており、それを達成するために、プレス時においては、光学素子の光学機能面に対応する成形型の成形面に、ガス残りが発生しないようにする必要があり、例えば、凸レンズを成形する場合、成形型の成形面の曲率半径よりも、ガラス素材の曲率半径が小さくなるようにして、雰囲気ガスが成形型とガラスとの間に取り残されないようにする工夫がなされている。
【０００４】
しかしながら、曲率のきつい（曲率半径の小さな）レンズや、非球面などの形状が複雑なレンズの場合には、ガラス素材の形状だけでは、対応が難しくなっており、また、仮に対応できたとしても、ガラス素材のコストが上がってしまうなどの問題があった。このため、近年では、プレス時に成形雰囲気を排除して、真空状態とする方法が開発されている。ただ、成形過程の加熱・冷却時も、真空状態とした場合、雰囲気との熱交換（対流）がされなくなるため、加熱・冷却時間が延びたり、成形型と熱電対などの温度センサーとの接触状態の違い（隙間の有無）によって、温度測定値に誤差が出易くなるなどの問題がある他、ガラスのハンドリング時に、真空吸着による搬送方法が使えないなど、常時、真空状態で成形する方法には、多くの不具合があり、好ましくない。
【０００５】
そこで、プレス時のみ真空にする方法が有利となるが、成形サイクル中に真空引き及び不活性ガス充填の工程が増えるため、サイクルタイムがみだりに増加しないように、真空引き及び不活性ガス充填の時間をできるだけ短縮する工夫が必要である。また、成形サイクルを短くするために、従来と同様に、成形品を成形型からできるだけ高温で取り出すことが望ましく、その場合、成形型の酸化防止を考えると、不活性ガス雰囲気中で行う必要がある。
【０００６】
従来の成形装置を見てみると、特開平３−１７７３１８号公報の発明では、不活性ガス雰囲気中で成形するための装置において、１つの成形室内に成形型と、成形型内へガラスの出し入れを行うハンドとがあり、また、成形室の隣りには置換室が設けられており、この置換室を通して、外部とのガラス素材、成形品の出し入れを行うことにより、成形室の雰囲気を損なうことなく、連続して成形を行うことができる。よって、成形型を酸化させることなしに、成形後の成形品を高温で取り出すことが可能となり、成形サイクルを大幅に短縮する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の成形装置を用いて、プレス時のみ、真空にする成形方法を行った場合、次のような問題点がある。即ち、この成形装置では、１つの成形室内に成形型および成形型内へガラスの出し入れを行うハンドなどが、一緒に装備されているため、成形室が比較的大きなものとなる。このため、雰囲気ガスを除くための真空引き時間が長くなり、それだけ、成形サイクルも延びてしまい、また、その間の成形型、ガラスの温度制御が不安定になるという問題があった。
【０００８】
よって、成形室をできるだけ小さなものとする必要があるが、単に、上述のハンドを成形室の外に置いた場合は、ガラスの出し入れを行う際に、成形型が外の雰囲気（大気）に曝される。このため、型の酸化を防止するのに、成形型、ガラス成形品を十分に冷やしてから取り出す必要があり、成形サイクルが大幅に延びてしまう。
【０００９】
本発明は、上記事情に基づいてなされたもので、プレス時のみ、成形雰囲気を真空にする成形方法を行うに際して、成形サイクル短縮を図り、真空雰囲気での温度制御に与える影響を、必要最小限に抑えるようにした光学素子のプレス成形装置、及び、その成形方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光学素子のプレス成形装置では、上下一対の成形型を用いて、加熱軟化したガラス素材をプレス変形させ、冷却した後に、成形型からガラス成形品を取出す、光学素子のプレス成形装置において、雰囲気置換が可能な第１の密閉チャンバーと、前記第１の密閉チャンバー内を不活性ガスに雰囲気置換することが可能な雰囲気置換装置と、前記第１の密閉チャンバー内に収容されて、これとは独立して雰囲気置換が可能な第２の密閉チャンバーと、前記第２の密閉チャンバー内に収納される前記成形型と、前記第２の密閉チャンバー内を真空にすることのできる真空装置とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の光学素子のプレス成形法では、上下一対の成形型を用いて、加熱軟化したガラス素材をプレス変形させ、冷却した後に、成形型からガラス成形品を取出す、光学素子のプレス成形方法において、雰囲気置換が可能な第１の密閉チャンバーと、前記第１の密閉チャンバー内に収容されて、これとは独立して雰囲気置換が可能な第２の密閉チャンバーと、前記第１および第２の密閉チャンバー内の雰囲気を置換する雰囲気置換装置とを使用し、前記ガラス素材を搬入後あるいは事前に、前記第１の密閉チャンバー内を不活性状態に雰囲気置換する工程と、不活性状態の前記第２の密閉チャンバー内の前記成形型に前記ガラス素材を搬入する工程と、前記第２の密閉チャンバーを密閉する工程と、前記成形型に載置されたガラス素材を加熱し、前記第２チャンバー内を真空装置により真空引きして、プレス成形する工程と、前記成形ガラスを前記第２の密閉チャンバーの外へ取出す工程とからなることを特徴とする。
【００１２】
このように、成形型を取り囲む、必要最小限の容量のチャンバーを、新たに設置することで、プレス前に、型周りのみの雰囲気を真空とし、また、型へのガラスの出し入れを不活性ガス雰囲気中で行うことができる。
【００１３】
なお、本発明の実施の形態として、光学素子のプレス成形装置において、第１の密閉チャンバーと隣接した位置に、第１の密閉チャンバーとは独立して雰囲気置換が可能なガラスの入替え室を設け、また、この入替え室を密閉に開閉可能な構造とすることにより、前記ガラス移送手段などを有することで、比較的容量が大きくなる第１の密閉チャンバーの雰囲気を変えることなく、比較的容量の小さな入替え室の雰囲気のみ置換して、常時、第１の密閉チャンバー内へのガラスの供給／取出しを行うようにすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図３を参照して、具体的に説明する。図１、図２は本発明の第１の実施の形態における、光学素子のプレス成形装置の縦断面図であり、図１はプレス時の状態を示し、図２はガラス投入時の状態を示すものである。また、図３は本発明の第２の実施の形態における、光学素子のプレス成形装置の縦断面図である。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１、図２において、外チャンバー１は、外気との雰囲気を遮断するための密閉構造となっており、また、その出入り口には、ゲートバルブ１３を取付けてあって、駆動源２１により、開閉可能に構成してある。そして、このゲートバルブ１３に対して、別の駆動源１７により密着・離脱可能な入替え室３が構成されており、この入替え室３の内部には、更に別の駆動源２０により、上下に移動可能な受け台１２が設置されている。
【００１６】
一方、外チャンバー１の内部には、胴型８が固定されており、この胴型８の中心軸上には、この胴型８を上下に貫通した状態で、貫通穴が形成されている。これらの貫通穴の内、上側の貫通穴には、上型部材６が、嵌合した状態で、上下方向に沿って摺動可能に挿入されている。
【００１７】
そして、上型部材６の下面には、ガラス素材９を押圧して、その表面に所望の光学機能面を転写するための成形面が形成されており、さらに、上型部材６の上方で、外チャンバー１の外部には、ガラス素材９に印加するプレス圧を発生させるための駆動源１４が配置され、かつ、外チャンバー１を貫通する構成で、プレス圧を伝える上軸４が配置されている。また、胴型８の上部には、上型部材６を加熱するためのヒータ１０が内設されている。
【００１８】
また、胴型８の下側の貫通穴には、下型部材７が、嵌合した状態で、上下方向に沿って摺動可能に挿入されている。
【００１９】
そして、下型部材７の上面には、ガラス素材９の下面に所望の光学機能面を転写するための成形面が形成されており、また、下型部材７の下部で、外チャンバー１の外部には、駆動源１５が配置され、かつ、外チャンバー１を貫通する構成で、駆動源１５に接続した下軸５が設置されている。また、胴型８の下部には、下型部材７を加熱するためのヒータ１０が内設されている。
【００２０】
さらに、外チャンバー１の内部で、胴型８の外周には、型全体を覆う構成で、外チャンバー１との雰囲気を遮断するための内チャンバー２が設置されており、外チャンバー１の外部に配置された駆動源１６により、上軸４とは独立に、上下に移動可能に構成され、内チャンバー２の下部開口部を、外チャンバー１の底部に密着させることにより、密閉空間を形成する構成となっている。
【００２１】
また、外チャンバー１の内部には、内チャンバー２の内外における、ガラス素材９及び成形品２９の受け渡しを行うためのハンド１１が設置されており、外チャンバー１の外部に配置された駆動源１８により、回転動作を、また、別の駆動源１９により、上下動作を、それぞれ、行って、下型７と受け台１２とのガラス素材９及び成形品２９の受け渡しが可能となるように構成されている。
【００２２】
なお、外チャンバー１、内チャンバー２、入替え室３には、それぞれ、独立に雰囲気置換が行えるように、Ｎ2 ガス導入管、真空排気管が個別に接続されており、それぞれに開閉弁Ｎ１〜３、Ｖ１〜３が用意され、また、リーク弁Ｒ１〜３も用意されている。
【００２３】
さらに、Ｎ2 ガス供給源、真空排気元にも、開閉弁Ｎ０，Ｖ０が用意され、例えば、Ｎ2 ガス供給源のＮ2 弁Ｎ０を閉じて、外チャンバー１と入替え室３のＮ2 弁Ｎ１，Ｎ３を開いて、両者をリークさせることで、ともに同じ圧力の雰囲気とすることもできる。
【００２４】
次に、上記のように構成された装置により、レンズを成形する手順について説明する。まず、図１のように外チャンバー１の出入り口のゲートバルブ１３を閉じておき、内チャンバー２については、上方位置に移動して、開いておく。また、Ｎ2 ガス供給源のＮ2 弁Ｎ０、真空排気元の真空弁Ｖ０も開いておく。
【００２５】
この状態で、外チャンバー１の真空弁Ｖ１を開いて真空引きを行い、所定の真空度に到達した時点で、真空弁Ｖ１を閉じ、次に、外チャンバー１のＮ2 弁Ｎ１を開いてＮ2 ガスを供給し、所定の圧力に到達した時点で、Ｎ2 弁Ｎ１を閉じ、外チャンバー１内の雰囲気置換を完了する。
【００２６】
次に、外チャンバー１の外にあるガラス素材９を型内に搬送するが、まず、図１に示すように、外チャンバー１の外部で待機している受け台１２の上に、外部ハンド（図示せず）により、ガラス素材９が供給されると、入替え室３が上昇して、閉じたゲートバルブ１３に密着し、密閉空間を形成する。ここで、入替え室３の真空弁Ｖ３を開いて、真空引きを行い、所定の真空度に到達した時点で、真空弁Ｖ３を閉じ、次に、入替え室３のＮ2 弁Ｎ３を開いて、Ｎ2 ガスを供給し、所定の圧力に到達した時点で、Ｎ2 弁Ｎ３を閉じ、入替え室３内の雰囲気置換を完了する。そこで、ゲートバルブ１３が開き、図２に示すように、受け台１２が上昇し、ガラス素材９が外チャンバー１内で待機した状態となる。
【００２７】
次に、予め、上型部材６を胴型８に対して上方にスライドさせ、下型部材７から逃がし置くと、この状態で、ハンド１１がガラス素材９を保持して、胴型８の開口部より、下型部材７の成形面上に供給する。この時の動作は、まず、ハンド１１が下降して、ハンド１１の、ガラス素材９の保持部を、受け台１２に載置されたガラス素材９に接近させる。そして、例えば、真空吸着作用により、ガラス素材９を保持した後、ハンド１１は上昇し、次に、回転動作により、ハンド先端を胴型８の開口部より挿入し、ガラス素材９が下型部材７の上に来たところで停止し、その後、ハンド１１が下降して、ガラス素材９が下型部材７に接近したところで、ハンド１１からガラス素材９が開放されて、下型部材７上に置かれる。なお、この時、上型部材６及び下型部材７は、ヒータ１０により、所定の成形条件に対応した温度に調整されている。
【００２８】
ガラス素材９が下型部材７の成形面上に供給されると、胴型８の開口部より、加熱部材（図示せず）が挿入され、ガラス素材９の加熱を行う。なお、ガラス素材９は、型外で予め加熱されたものを型内に供給する方式にしてもよい。上型部材６、下型部材７及びガラス素材９が、プレス前の所定の温度に到達すると、加熱部材（図示せず）が胴型８の外側に退避し、直ちに、内チャンバー２が下降して、外チャンバー１の底面に密着し、密閉空間を形成する。ここで、内チャンバー２の真空弁Ｖ２を開いて、真空引きを行う。型周りの雰囲気が所定の真空度に到達し、かつ、上型部材６及び下型部材７が所定のプレス温度に到達した時点で、上型部材６側の駆動源１４を押し出し動作させて、ガラス素材９の押圧成形を行う。そして、上型部材６のフランジ部下面が胴型８の上面に当接することにより、上型部材６での、ガラス素材９の変動動作が終了する。
【００２９】
その後、冷却工程へと移るが、この時、内チャンバー２の真空弁Ｖ２を閉じて、内チャンバー２のＮ2 弁Ｎ２を開き、Ｎ2 ガスを供給して、所定の圧力に到達した時点で、Ｎ2 弁Ｎ２を閉じ、さらに、内チャンバー２のリーク弁Ｒ２を開けて内チャンバー２内を外チャンバー１と同じＮ2 圧力とし、その後、リーク弁Ｒ２を閉じるか、あるいは、内チャンバー２の真空弁Ｖ２を閉じた後、直接、リーク弁Ｒ２を開けて、外チャンバー１よりＮ2 ガスを導入して、内チャンバー２内を外チャンバー１と同じＮ2 圧力とする。
【００３０】
そして、内チャンバー２を上方位置に移動させて開放し、これにより、内チャンバー２内に蓄積された熱も開放され、冷却効率を上げることができる。更に、Ｎ2 導入管（図示せず）による、型へのＮ2 ガスの吹き付けなどによって、冷却が促進されるが、型が所望の温度まで冷却されたとき、成形品２９の面形状が崩れないように、下型部材７により、成形品２９の下方から圧力を印加する。そして、この状態で冷却を続け、さらに、所定の温度まで到達したときに、下型部材７による圧力を解除する。
【００３１】
その後も冷却を行い、所定の温度まで到達したときに、上型部材１を上方に移動させ、下型部材７上の成形品２９を、ハンド１１により、型内に投入したのとは逆の動作で、胴型８の開口部より受け台１２へと取り出される。なお、受け台１２には、ガラス素材９を載置する場所と、成形品２９を載置する場所の２つが設けてあり、ハンドがガラス素材９を型内に投入し、成形している間に、受け台１２は、再び、外チャンバー１の外部より、新たなガラス素材９を受け取り、外チャンバー１内に戻っている。そこで、ハンド１１は、成形品２９を取り出すとともに、新たなガラス素材９を型内に投入し、再び、成形を開始する。
【００３２】
そして、成形品２９は外チャンバー１外へ搬出されるが、この時の動作は、まず、受け台１２が下降して入替え室３の中に入ると、ゲートバルブ１３が閉じて外チャンバー１が閉鎖される。次に、入替え室３のリーク弁Ｒ３が開いて、入替え室３内のＮ2 ガスの圧力を大気圧まで下げてから、リーク弁Ｒ３を閉じ、入替え室３を下降させ、大気中に開放する。
【００３３】
この状態で、外部ハンド（図示せず）により、受け台１２上の成形品２９を取り出すとともに、新たなガラス素材９を受け台１２上に載置し、再び、入替え室３を介して、外チャンバー１内に搬送し、次の成形が始まるまで、待機する。以上のようにして、プレス成形が繰り返し行われる。
【００３４】
ここで、カメラに使用されるレンズを、一事例にして、詳細な成形条件の説明を行うことにする。ここでは、ガラス素材９は、重クラウンガラス（屈折率：１．５８、アッベ数：５９．４、転移点：５０６℃）で、外径：φ１０ｍｍ、肉厚：３．５ｍｍの円板形状を使用し、下面側凸Ｒ＝４０、上面側凸非球面（近似Ｒ＝２９ｍｍ）で、外径：φ１２ｍｍ、中心肉厚：２．５ｍｍの両凸レンズを成形する。
【００３５】
まず、下型部材７の成形面上にガラス素材９を投入し、上型部材６及び下型部材７の温度が５７０℃（１０9.5 ポアズ相当）になり、しかも、ガラス素材９の温度も５７０℃（１０9.5 ポアズ相当）になった時点で、内チャンバー２を閉じて、内チャンバー２内の真空度が２．７Ｐａ（パスカル）以下となるように真空引きを行い、さらに、加熱を続け、上型部材６及び下型部材７の温度が５８０℃（１０9.0 ポアズ相当）になった時点で、上型部材６側の駆動源１４を２９００Ｎ（ニュートン）の力で、４０ｓｅｃ間、動作させ、上型部材６の押し込み動作を終了する。なお、その後も、胴型８に突き当てた状態の上型部材６の圧力は、そのまま保持しておく。その後、冷却を開始するとともに、直ちに、内チャンバー２内にＮ2 ガスを導入し、外チャンバー１内のＮ2 ガスと同圧にしてから、内チャンバー２を上昇させ、開放する。
【００３６】
そして、まず、５６０℃（１０9.8 ポアズ相当）になった時点で、下型部材７により、成形品２９に２０００Ｎ（ニュートン）の力を加え、このまま、冷却を続けて、４９０℃（１０13.5ポアズ相当）になった時点で、下型部材７の圧力を解除した。そして、さらに４７０℃（１０15.2ポアズ相当）まで冷却した後、上型部材６を上昇させて、型を開き、成形品２９の取出しを行った。
【００３７】
上記のような一連の動作により、レンズの成形を行ったが、円板形状のガラス素材を使用しても、ガス残りが発生するようなこともなく、良好な面精度の成形品を得ることができた。
【００３８】
また、内チャンバー２内の真空引きに要する時間は、２０ｓｅｃ．以下であり、１ショットに要する成形サイクルも５ｍｉｎ．以下とすることができた。因みに、外チャンバー１は容積が大きいため、真空引きには、５ｍｉｎ．以上を要する。
【００３９】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態における、光学素子のプレス成形装置の縦断面図であるが、第１の実施の形態とほぼ同様の成形装置であり、その違いは、まず、入替え室がなく、受け台４２が外チャンバー３１内に固定されており、外チャンバー３１の内外にガラスを出し入れするための出入り口が、受け台４２側の外チャンバー３１の側面に設けられており、ゲートバルブ４３により、外気と遮断されている。
【００４０】
また、胴型８に内設されたヒータ１０の他に、型及びガラスを加熱するためのヒータ４０が、内チャンバー３２の内側の側面に設置されており、内チャンバー３２の外側の側面には、冷却用の水冷ジャケットあるいはガス吹き付けによる冷却手段２２が設置され、第１の実施の形態と同様、上下方向に移動可能に構成されている。その他は、第１の実施の形態と同様なので、その説明は省略する。
【００４１】
次に、上記のように構成された装置により、レンズを成形する手順について説明する。まず、図３に示すように、外チャンバー３１の出入り口のゲートバルブ４３を閉じ、内チャンバー３２については、上方位置に移動して開いておく。また、Ｎ2 ガス供給源のＮ2 弁Ｎ０、真空排気元の真空弁Ｖ０も開いておく。
【００４２】
この状態で、外チャンバー３１の真空弁Ｖ１を開いて真空引きを行い、所定の真空度に到達した時点で、真空弁Ｖ１を閉じ、次に、外チャンバー３１のＮ2 弁Ｎ１を開いてＮ2 ガスを供給し、所定の圧力に到達した時点で、Ｎ2 弁Ｎ１を閉じ、外チャンバー３１内の雰囲気置換を完了する。
【００４３】
次に、内チャンバー３２を下降させて型を覆い、外チャンバー３１の底面とともに密閉空間を形成し、ヒータ１０により、型をガラス素材投入時の所定温度まで加熱保持しておく。ここで、外チャンバー３１の外にあるガラス素材を型内に搬送するが、まず、内チャンバー３２は下降させたままの状態で、外チャンバー３１のリーク弁Ｒ１を開いて、外チャンバー３１内のＮ2 圧力を大気圧まで下げる。そして、ゲートバルブ４３を開き、ガラス素材を保持した外部ハンド（図示せず）により、外チャンバー３１の外部から、内部の受け台４２に直接、ガラス素材を持ち込み、載置する。
【００４４】
その後、再度、外チャンバー３１内の雰囲気置換を行い、Ｎ2 雰囲気に戻した後、内チャンバー３２を上昇させて開き、第１の実施の形態と同様、受け台４２上にあるガラス素材を、ハンド１１により、下型部材３７の成形面上に供給する。このとき、上型部材３６及び下型部材３７は、前述のように、ヒータ１０により所定の成形条件に対応した温度に調整されている。
【００４５】
次に、再び、内チャンバー３２が下降して閉じ、ヒータ１０及び４０にて上型部材３６、下型部材３７及びガラス素材を加熱する。そして、上型部材３６、下型部材３７及びガラス素材が、プレス前の所定の温度に到達すると、直ちに、内チャンバー３２の真空弁Ｖ２が開いて真空引きを行い、その後、型周りの雰囲気が所定の真空度に到達し、かつ上型部材３６及び下型部材３７が所定のプレス温度に到達した時点で、上型部材３６側の駆動源１４を押し出し動作させて、ガラス素材の押圧成形を行う。
【００４６】
その後、冷却工程へと移るが、この時、内チャンバー３２の真空弁Ｖ２を閉じて、内チャンバー２のＮ2 弁Ｎ２を開き、Ｎ2 ガスを供給して所定の圧力に到達した時点で、Ｎ2 弁Ｎ２を閉じるが、この実施の形態においては、内チャンバー３２は下降して閉じたままの状態で、冷却を続けるのである。この状態のまま、Ｎ2 導入管（図示せず）による、型へのＮ2 ガスの吹き付けなどによって、冷却が促進される。一方、内チャンバー３２内のヒータ４０はオフとなり、冷却手段２２により内チャンバー３２自身も冷却される。これにより、内チャンバー３２は閉じたままであるが、さらに、冷却が促進される。
【００４７】
そして、型が所望の温度まで冷却されたとき、成形品３９の面形状が崩れないように、下型部材３７により、成形品３９に圧力が印加され、そして、この状態で冷却を続け、さらに、所定の温度まで到達したときに、下型部材３７による圧力を解除する。
【００４８】
その後も、冷却を行い、所定の温度まで到達した時点で、まず、内チャンバー３２のリーク弁Ｒ２を開けて、内チャンバー３２内を外チャンバー３１と同じのＮ2 圧力とした後、リーク弁Ｒ２を閉じてから、内チャンバー３２を、上方位置に移動させて開放し、さらに、上型部材３６を上方に移動させて、下型部材３７上の成形品３９を、ハンド１１により、胴型８の開口部より受け台４２へと取り出させる。
【００４９】
なお、受け台４２にも、ガラス素材を載置する場所と、成形品３９を載置する場所の２つが設けてあり、ハンドが、ガラス素材を型内に投入し、成形している間に、受け台４２は再び、外チャンバー３１の外部より、新たなガラス素材を受け取り、待機している状態にする。そこで、ハンド１１は、成形品３９を取り出すとともに、新たなガラス素材を型内に投入し、再び、内チャンバー３２を閉じて成形を開始する。
【００５０】
そして、成形品３９は外チャンバー３１外へ搬出されるが、この時の動作は、まず、内チャンバー３２が閉じた後に、外チャンバー３１のリーク弁Ｒ１が開いて、外チャンバー３１内のＮ2 ガスの圧力を大気圧まで下げてから、リーク弁Ｒ１を閉じ、ゲートバルブ４３が開いた後に、外部ハンド（図示せず）により、成形品３９を取り出すとともに、新たなガラス素材を受け台４２上に載置し、その後、ゲートバルブ４３が閉じて、再び外チャンバー３１内の雰囲気置換を行って、次の成形が始まるまで待機する。以上のようにプレス成形が繰り返し行われる。
【００５１】
ここで、第１の実施の形態と同様に、カメラに使用されるレンズを例に、詳細な成形条件の説明を行うことにする。
【００５２】
ガラス素材は、燐酸ガラス（屈折率：１．５６、アッベ数：６０．８、転移点：３４５℃）で、最終形状と同Ｒに両面を研磨した近似形状ブランクを使用し、下面側凸Ｒ６２でその表面には深さ：１０μｍ、ピッチ：１００μｍ〜１ｍｍの多数の同心円状の溝からなる微細形状があり、上面側凸Ｒ＝９６ｍｍで、外径：φ３４ｍｍ、中心肉厚：５．４ｍｍの両凸レンズ形状の、回折光学素子を成形する。
【００５３】
まず、下型部材３７の成形面上にガラス素材を投入した後に、内チャンバー３２を閉じて加熱を行い、上型部材３６及び下型部材３７の温度が３９０℃（ガラス粘度で、１０9.0 ポアズ相当）になり、しかも、ガラス素材の温度も３９０℃（ガラス粘度で、１０9.0 ポアズ相当）になった時点で、内チャンバー３２内の真空度が２．７Ｐａ（パスカル）以下となるように真空引きを行い、さらに、加熱を続けて、上型部材３６及び下型部材３７の温度が３９５℃（ガラス粘度で、１０8.7 ポアズ相当）になった時点で、上型部材３６側の駆動源１４を５９００Ｎ（ニュートン）の力で、６０ｓｅｃ間、動作させ、上型部材３６の押し込み動作を終了する。なお、その後も、胴型８に突き当てた状態の上型部材３６の圧力は、そのまま保持しておく。
【００５４】
その後、冷却を開始するとともに、直ちに、内チャンバー３２内にＮ2 ガスを導入し、そのまま、内チャンバー３２内にて冷却を続ける。そして、３８０℃（ガラス粘度で、１０9.7 ポアズ相当）になった時点で、下型部材３７により、ガラス成形品３９に４９００Ｎ（ニュートン）の力を加え、このまま冷却を続けて、３２５℃（ガラス粘度で、１０14.5ポアズ相当）になった時点で、下型部材３７の圧力を解除した。
【００５５】
そして、さらに３２０℃（ガラス粘度で、１０15.3ポアズ相当）まで冷却した後、外チャンバー３１内のＮ2 ガスと同圧にしてから、内チャンバー３２を上昇させて開放し、さらに、上型部材３６を上昇させて、型を開き、成形品３９の取出しを行った。
【００５６】
上記のような一連の動作により、回折光学素子の成形を行ったが、微細な溝形状をきちんと転写しており、ガス残りが発生するようなこともなく、転写性の良好な成形品を得ることができた。また、内チャンバー２内の真空引きに要する時間は、２０ｓｅｃ．以下であり、１ショットに要する成形サイクルも８ｍｉｎ．以下とすることができた。因みに、外チャンバー１は容積が大きいため、真空引きには５ｍｉｎ．以上を要する。
【００５７】
なお、第２の実施の形態では、入替え室がないため、外チャンバーの内外のガラスの出し入れは、内チャンバーが閉じている時に限られる他、ハンドリングごとに、外チャンバーの雰囲気置換を行っているので、Ｎ2 ガスの消費量も多くなるという面を持ち合わせているが、しかし、装置としては、シンプルとなるために、システム全体の成形のパターンに応じて、何れか（第１あるいは第２の実施形態）を選択するのがよい。
【００５８】
また、内チャンバーの内側にヒータ、外側に冷却手段を持っているため、冷却効率をさほど下げることなく、加熱効率を上げられる他、加熱時から冷却時にわたって、内チャンバーが閉じていることで、冷却効率は内チャンバーを開けている時より若干、不利となるものの、型周りの雰囲気を外部から遮断できるため、型やガラスの温度分布が少なくなり、より高精度な成形品を得ることができる。よって、この方法も、ガラス成形品の要求精度や要求コストに応じて選択するのがよい。
【００５９】
（他の実施の形態）
以上の実施の形態では、通常のレンズと回折光学素子の成形を例に説明しているが、これに限らず、自由曲面レンズや角物レンズなど、製品形状に対して、ガラス素材の形状を調整しづらく、それにより、ガス残りが発生するような物であれば、本発明は、適用できる。また、この実施の形態においては、１個取りの成形について説明しているが、多数個取りにおいても、もちろん適用できる。
【００６０】
さらに、本発明の第１の実施の形態では、胴型内のヒータにて、型の加熱を行っているが、加熱・冷却の方法については、特に限定するものではなく、第２の実施の形態のように、内チャンバーに設置されたヒータや冷却手段を使用してもよく、また、内チャンバーを開閉するタイミングについても、少なくとも、プレス時に閉じて、真空状態になっていればよく、加熱時から冷却時にわたって、内チャンバーを閉じている方法としてもよい。これらの技術的組合せは、要求される製品の精度やコスト（成形サイクル、装置コスト）などによって、予め、決めることができる。
【００６１】
また、本発明の第２の実施の形態においても、同様に、胴型内にヒータを設置して、型の加熱を行ってもよく、また、この時の説明では１ショット毎に外チャンバーからのガラスの出し入れを行っていたが、受け台を大きくして、数ショット分を一度に出し入れするようにしてもよい。これにより、ハンドの動きは多少複雑になるものの、毎回外チャンバー内を雰囲気置換する必要がなく、Ｎ2 ガス消費量を抑えることができる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したようになり、少なくとも、プレス前に、一旦、真空雰囲気にしてから、プレスを開始するためのプレス成形装置及びその成形方法において、第１の密閉チャンバー内に、型を取り囲む必要最小限の容量の第２の密閉チャンバーを設置することで、プレス前に真空引きを行う際の時間を大幅に短縮することができ、また、その後に充填する不活性ガスの使用量も削減することができるなどの多くの効果が得られる。
【００６３】
また、第２の密閉チャンバーの外側で、かつ、第１の密閉チャンバーの内側に、型からガラスの出し入れを行うハンドを設けたことで、不活性ガス雰囲気中で、ガラスの出し入れを行うことができ、それにより、型を酸化させることなしに、型が高温のままでのガラスの出し入れを可能となるから、大幅な成形サイクルの短縮を図ることができる。
【００６４】
さらに、入替え室を設けたことにより、第２の密閉チャンバーの開閉に関係なく、いつでも、第１の密閉チャンバーと外部とのガラスの出し入れが可能となるため、第２の密閉チャンバーの開閉のタイミングを成形条件に応じて自由に設定することができるようになり、また、第１の密閉チャンバーに比べて入替え室の容積はごくわずかであり、第１の密閉チャンバーと外部とのガラスの出し入れの際に要する不活性ガスの使用量も大幅に削減することができるなどの効果が得られる。
【００６５】
また、上記装置を使用して、加熱・冷却時は、不活性ガス雰囲気で、プレス時は真空雰囲気で成形を行うことにより、製品形状にかかわらず、ガラス素材の形状に工夫をすることなしに、ガス残りのない、転写性の優れた成形品を、より短い成形サイクルで得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態での光学素子の成形装置の縦断面図であり、プレス時の状態を示すものである。
【図２】同じく、光学素子の成形装置の縦断面図であり、ガラス投入時の状態を示すものである。
【図３】本発明の第２の実施の形態での光学素子の成形装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１，３１ 外チャンバー
２，３２ 内チャンバー
３ 入替え室
４ 上軸
５ 下軸
６，３６ 上型部材
７，３７ 下型部材
８ 胴型
９ 素材
１０，４０ ヒータ
１１ ハンド
１２，４２ 受け台
１３，４３ ゲートバルブ
１４〜２１，５１ 駆動手段
２２ 冷却手段
２９，３９ 成形品
Ｎ０〜Ｎ３ Ｎ2 弁
Ｖ０〜Ｖ３ 真空弁
Ｒ１〜Ｒ３ リーク弁
Ｎ2 Ｎ2 ガス供給源
Ｖａｃ 真空排気元
Claims (4)
- 上下一対の成形型を用いて、加熱軟化したガラス素材をプレス変形させ、冷却した後に、成形型からガラス成形品を取出す、光学素子のプレス成形装置において、
雰囲気置換が可能な第１の密閉チャンバーと、
前記第１の密閉チャンバー内を不活性ガスに雰囲気置換することが可能な雰囲気置換装置と、
前記第１の密閉チャンバー内に収容されて、これとは独立して雰囲気置換が可能な第２の密閉チャンバーと、
前記第２の密閉チャンバー内に収納される前記成形型と、
前記第２の密閉チャンバー内を真空にすることのできる真空装置と
を備えていることを特徴とする光学素子の成形装置。 - 前記第１の密閉チャンバー内で、かつ前記第２の密閉チャンバーの外に備えられ、前記ガラス素材を前記成形型に搬入し、かつ前記成形型に載置されたガラス成形品を第２の密閉チャンバーの外へ受け渡すためのガラス搬送手段を有することを特徴とした請求項１に記載の光学素子の成形装置。
- 前記第１の密閉チャンバーと隣接した位置に、雰囲気置換することができ、かつ前記第１の密閉チャンバーに対して移動可能な入替え室と、
前記第１の密閉チャンバーには前記入替え室と密閉に開閉可能とするための開閉機構とを備えることを特徴とする請求項２に記載の光学素子のプレス成形装置。 - 上下一対の成形型を用いて、加熱軟化したガラス素材をプレス変形させ、冷却した後に、成形型からガラス成形品を取出す、光学素子のプレス成形方法において、
雰囲気置換が可能な第１の密閉チャンバーと、
前記第１の密閉チャンバー内に収容されて、これとは独立して雰囲気置換が可能な第２の密閉チャンバーと、
前記第１および第２の密閉チャンバー内の雰囲気を置換する雰囲気置換装置とを使用し、
前記ガラス素材を搬入後あるいは事前に、前記第１の密閉チャンバー内を不活性状態に雰囲気置換する工程と、
不活性状態の前記第２の密閉チャンバー内の前記成形型に前記ガラス素材を搬入する工程と、
前記第２の密閉チャンバーを密閉する工程と、
前記成形型に載置されたガラス素材を加熱し、前記第２チャンバー内を真空装置により真空引きして、プレス成形する工程と、
前記成形ガラスを前記第２の密閉チャンバーの外へ取出す工程とからなることを特徴とする光学素子のプレス成形法。
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