JP3967146B2

JP3967146B2 - 光学素子の成形方法

Info

Publication number: JP3967146B2
Application number: JP2002033646A
Authority: JP
Inventors: 典雄中谷
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2022-02-12
Also published as: JP2002316826A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱軟化したガラス素材を一対の成形型によりプレス成形してガラスレンズ等の光学素子を成形する光学素子の成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高精度のレンズ等の光学素子を成形する方法として、従来では、例えば特開平４−３２００７号公報に開示された光学素子の製造方法が知られている。この方法は、加熱によって１０^８〜１０^６ｄｐａ・ｓ相当の温度に軟化したガラス素材をガラス転移点温度未満で且つ１０^１４．５ポアズ相当の温度以上の温度に設定された金型によって１０ｍｍ／秒〜２５０ｍｍ／秒のプレス速度でプレスするものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した光学素子の製造方法の場合は、１０^８〜１０^６ｄｐａ・ｓ相当の温度に加熱されたガラス素材をガラス転移点温度未満の温度の金型によって急冷するため、ガラス素材の表面が瞬時に固化してしまうとともに、ガラス素材の表面と内部との間に大きな温度差が発生するため、プレス成形されたレンズには大きな熱応力が残留するととともに、ヒケが発生して面精度が出にくい問題を有している。
【０００４】
これにより、コバ厚の薄い凸レンズでは、金型から取り出したときに大きなヒケが発生して光学素子に必要な形状精度を得ることができないものとなっている。また、凹レンズやメニスカスレンズなどの光学素子では、金型から取り出した後、ある程度の形状精度を得ることができても、屈折率調整や複屈折除去のためにアニール処理を行うと、成形工程で発生した残留応力により、形状精度を維持できない。このため、例えば、面精度ＰＶが０．２μｍ以内のような高精度な光学素子を得ることは困難となっている。
【０００５】
本発明は、このような従来の光学素子の成形方法の問題点を考慮してなされたものであり、高精度な光学素子を安定して成形することが可能な光学素子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】
請求項１の発明の光学素子の成形方法は、ガラス素材を１０^８ｄｐａ・ｓから１０^４ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度まで加熱する工程と、ガラス素材の１０^１４ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度からガラス転移点温度までの温度に設定された金型によってプレス成形を開始する工程と、プレス成形開始後、金型温度をガラス素材のガラス転移点温度より高く、１０^１２ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度より低い温度範囲に調整する工程と、金型の温度をガラス素材のガラス転移点温度より低い温度に冷却した後、プレス成形された光学素子を金型内から取り出す工程とを含むことを特徴とする。
【００１１】
請求項１の発明によれば、ガラス素材の１０^１４ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度からガラス転移点温度に設定された金型によってプレス成形を開始して、プレス成形開始後、金型の温度をガラス素材のガラス転移点温度より高く、１０^１２ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度より低い温度に調整するため、プレス開始直後のガラス素材からの熱供給による金型表面の瞬間的な温度上昇によるピーク温度を下げることができる。このため、大きな変形量を得るために、ガラス素材を低粘度に加熱しても金型にガラス素材が融着することがない。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の光学素子の成形方法であって、前記プレス中において、金型の温度をガラス素材のガラス転移点温度より高く、１０^１２ｄｐａ・ｓ粘度に相当する温度より低い温度範囲で３秒〜１０分間保持した後、金型の温度をガラス素材のガラス転移点温度より低い温度に冷却することを特徴とする。
【００１３】
すなわち、プレスにより発生したガラス素材内部の温度分布に起因するヒケをプレスによるガラス流動プレスにより消失させる時間に基づき、プレス中にガラス素材の温度がガラス転移点温度より高く、１０^１２ｄｐａ・ｓ粘度に相当する温度より低い温度で保持する時間が３秒以下ではヒケが残り、高精度な光学面を有する光学素子を成形することができない。また、１０分以上になるとガラス成分と金型の反応により金型の表面に面荒れが発生して、金型の耐久性を著しく悪化させるものである。特に、熱応力の発生しやすい、体積が大きくしかも中心肉厚と外周肉厚との差が大きいレンズを成形する場合、この保持時間を長くとることにより、ヒケのない高精度な光学面を有する光学素子を成形することができる。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の光学素子の成形方法であって、前記金型の冷却が、金型の冷却開始からガラス素材のガラス転移点温度までの一次冷却と、ガラス素材の転移点温度以下から離型までの２次冷却とからなり、１次冷却は０．１℃／秒〜１．０℃／秒の冷却速度で冷却し、２次冷却は１．０℃／秒〜４．０℃／秒の冷却速度で冷却することを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、プレス中の金型の冷却によるガラス素材内部の温度分布の発生を、ガラスがほぼ固化するガラス転移点温度まで０．１℃／秒から１．０℃／秒の冷却速度で冷却することにより防止して、ガラスの固化後は、サイクルタイムを短縮する観点から１℃／秒以上、また、急冷によりガラスに割れが発生しないように４℃／秒以下の冷却速度で冷却するものである。この発明では、特に体積が大きくしかも中心肉厚と外周肉厚の差が大きく、金型の冷却に伴ってガラス内部に温度分布が発生しやすいレンズにおいてもヒケのない高精度な光学面を有した光学素子を成形することができる。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子の成形方法であって、前記金型の冷却中において、金型の温度がガラス転移点温度以下の温度になった後、ガラス素材への加圧力を１０Ｍｐａ〜０Ｍｐａの範囲で選択的に或いは傾斜的に減圧して離型温度まで冷却することを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明では、ガラス素材の固化後のガラス素材への押圧力を１０Ｍｐａ以下に減少させることにより、固化後のガラス素材の反り等の機械的な応力を減少させ、割れの発生なく安定して光学素子を成形することが可能となる。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子の成形方法であって、前記プレス成形のガラス素材への加圧は、１次加圧、無圧力保持及び２次加圧からなり、１次加圧はガラス素材が所望の肉厚になったときに金型のプレス動作を停止させることによって終了し、この金型のプレス動作停止を維持することによって無圧力保持を行い、プレス開始から冷却によって金型の温度がガラス転移点温度より低い温度になるまでの間に再度、プレス動作を再開して金型を移動させることにより２次加圧を行うことを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明では、１次加庄によってガラス素材を所望の肉厚で金型のプレス動作を停止させることにより高精度な肉厚精度を実現し、無圧力保持を行うことによりガラスが一時的に自由収縮を起こすことを利用して熱応力等の応力を開放し、更に金型の温度が、ガラス転移点温度以上のガラス素材に流動性の残る温度領域の状態で再度プレスを再開して２次加圧を行うことで、無圧力保持時間でできた自由変形による面形状誤差をガラス流動により補正する。このことにより、残留応力の非常に少ない、高精度な肉厚精度と高精度な光学面を有したレンズを成形することができる。また、成形後に屈折率調整や複屈折除去のため、アニール処理を行っても成形後の面精度を安定して維持することが可能な光学素子の成形が可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施の形態により、具体的に説明する。なお、各実施の形態において、同一の部材には同一の符号を付して対応させてある。
【００２１】
（実施の形態１）
図１〜図４は、本発明の実施の形態１を示し、図１及び図２はこの実施の形態の光学素子の成形方法を実施するためのガラス成形装置である。
【００２２】
図１に示すように、ガラス成形装置は、基台（図示省略）上の平坦なテーブル１４に固定した矩形状の下板１５と、下板１５から垂直上方に向けて立設した前後左右１枚ずつの合計４枚からなるの壁板１６と、各壁板１６の上端に配置した矩形状の上板１７とが囲む空間により形成される成形室４を有している。
【００２３】
成形室４の隣りには、箱型状の加熱炉８が連設状態で配置されている。成形室４内には、光学素子であるガラスレンズ（図示省略）をプレス成形するため上型２、下型３が上下で対向するように配置されている。
【００２４】
ガラス成形装置は、搬入アーム１２及び搬出アーム１３を有している。搬入アーム１２は、加熱炉８に設けた搬送レール７上の搬送皿２９に載置され加熱されるガラス素材５を搬送皿２９を介して加熱炉８から上型２及び下型３間における成形ポイントに搬送する。搬出アーム１３は上型２及び下型３によってプレス成形された光学素子であるガラスレンズを搬送皿２９を介して成形室４外に搬出する。
【００２５】
図１に示すように、成形室４を形成するため左右で対向している壁板１６には、搬入アーム用開口１６ａ、搬出アーム用開口１６ｂが各々形成されている。また、加熱炉８における右側の側壁部８ｃには搬入アーム用の開口８ａが、左側の側壁部８ｄには搬入アーム用開口８ｂが各々設けられており、これらの搬入アーム用開口１６ａ及び搬入アーム用開口８ｂは連通状態となっている。
【００２６】
上型２は、上板１７の内面に固定された上型ホルダー１８に、取付けリング１９を介して固定され、下型３はテーブル１４に設けられた軸受け３９を介して上下自在に支持された図示しない駆動軸に連結された下型ホルダー２０に、取付けリング２１を介して固定されている。
【００２７】
上型２の側面近傍には、上型２加熱用の赤外線ランプヒータ２２が配置され、下型３の側面近傍には、下型３加熱用の赤外線ランプヒータ２３が配置されている。これらのランプヒータ２２、２３は、それぞれホルダー１８，２０に固定されたヒータ固定用カバー２６、２７に固定されている。
【００２８】
上型２の成形面近傍の温度測定を行う熱電対２ａが上型２の内部を通るように設けられており、上型２の温度制御はこの熱電対２ａの温度をもとにして行われる。下型３の成形面近傍の温度測定を行う熱電対３ａが下型の内部を通るように設けられており、下型３の温度制御はこの熱電対３ａの温度をもとにして行われる。
【００２９】
搬入アーム１２は図示しない駆動装置に連結されるとともに、図２に示すように搬送皿２９の外周形状に合致するように形成したＵ字形状の搬送皿保持部１２ａを備えている。搬入アーム１２は、搬送皿保持部１２ａにより挟みこまれる搬送皿２９を加熱炉８及び成形ポイントの各位置に停止制御させるように構成されている。
【００３０】
ガラス素材５は搬送皿２９を介して搬送レール７上に複数が載置されて支持されるようになっており、図示しない供給室より順次、加熱炉８内に送られる。そして、テーブル１４を貫通する昇降棒３０の昇降動作により搬送アーム１２の搬送皿保持部１２ａ上に移し替えられて支持される。
【００３１】
搬出アーム１３は、図示しない駆動装置に連結されるとともに、搬入アーム１２と同様に搬送皿２９の外周形状に合致するＵ字形状の搬送皿保持部１３ａを備えており、搬送皿保持部１３ａにより挟みこまれる搬送皿２９を成形ポイント及び搬出ポイントの各位置によって停止制御させるように構成されている。なお、加熱炉８は、搬送皿２９を介して搬送レール７によって搬入されるガラス素材５が成形可能な状態となるように加熱軟化する加熱ヒータ３３、３４を上下に備えている。
【００３２】
次に、以上のガラス成形装置を使用して、ランタン系硝材からなるガラス素材５（ガラス転移点温度５４１℃、屈伏点５７８℃）を直径２０ｍｍ、中心厚５ｍｍ、コバ厚１．５ｍｍの光学素子である両凸型のガラスレンズに成形する方法について説明する。なお、このガラス素材の粘度と温度との関係は以下のとおりとなっている。
１０^６ｄｐａ・ｓ６９０℃
１０^７ｄｐａ・ｓ６６３℃
１０^８ｄｐａ・ｓ６３４℃
１０^１０ｄｐａ・ｓ５８２℃
１０^１２ｄｐａ・ｓ５５６℃
１０^１３・３ｄｐａ・ｓ５４１℃
１０^１４ｄｐａ・ｓ５２９℃
１０^１４．５ｄｐａ・ｓ５１７℃
【００３３】
図４は、ガラスレンズが成形されるまでにおける上型２、下型３及びガラス素材５の温度変化を示している。
【００３４】
まず、上型２及び下型３の成形面に対してその中心部が最初に接触するような形状で成形後のガラスレンズの近似形状に加工された中心厚５．５ｍｍのガラス素材５を搬送皿２９に載置し、この搬送血２９を搬送レール７上によって加熱炉８内に進入させ、ガラス素材５を加熱ヒータ３３、３４により加熱する。加熱は１０^８ｄｐａ・ｓから１０^４ｄｐａ・ｓの粘度に相当する成形可能温度となるまで行う。この実施の形態では、ガラス素材５の粘度で１０^７ｄｐａ・ｓに相当する温度（６６３℃）とした。
【００３５】
次に、搬送皿２９の移し替えポイントまで昇降棒３０を上昇させて搬送皿２９を持ち上げ、搬入アーム１２を前進させて搬入アーム１２に移し替えた後、昇降棒３０を下降させる。これにより搬送皿保持部１２ａが搬送皿２９を挟み込んだ状態で搬送皿２９を支持する。
【００３６】
この後、図１に示すように搬入アーム１２を矢印ａ方向に前進させ、成形室内４内の上下の成形型２，３の軸芯と搬送皿２９の中心が一致した成形ポイントで停止させる。そして、下型ホルダー２０を介して下型３を上方に駆動して、ヒータ固定用カバー２７を搬送皿２９に当接させることによりガラス素材５を保持した搬送皿２９をヒータ固定用カバー２７上に載置する。
【００３７】
さらに下型３を上方に駆動することにより、図３に示すように上型２及び下型３によって、ガラス素材５に対する所定の圧力下でのプレス成形を開始する。このプレス開始時の時点が図４に示す時間Ｔ０（ｓ）であり、このとき上型２、下型３の成形面の温度はガラス素材５の粘度で１０^１２．８ｄｐａ・ｓに相当する温度（５４７℃）である。プレス開始の瞬間、ガラス素材５の温度は金型（上型２及び下型３）の温度に向かって急激に冷却される。一方、金型の温度はガラス素材５からの熱移動によってわずかに温度上昇する。ガラス素材５のプレス成形中の間に搬入アーム１２は加熱炉８外の待機位置まで後退して待機状態となるように制御される。
【００３８】
次に、上型２、下型３の成形面の温度を、ガラス素材のガラス転移点温度より高く、１０^１２ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度より低い温度を保つようにヒータ２２、２３を調整しながら所定時間保持する。この実施の形態では、プレス開始時の金型の温度すなわちガラス素材５の粘度で１０^１２．８ｄｐａ・ｓに相当する温度（５４７℃）で２０秒間保持する。
【００３９】
その後、温度制御用のヒータ２２、２３の出力を調整して、上型２及び下型３の成形面の温度を、ガラス素材５のガラス転移点温度以下に冷却し、これによりガラス素材５はガラス転移点温度以下に冷却される。なお、金型の冷却中に金型の成形面の温度がガラス素材５のガラス転移点温度になった時点でプレス圧力を初期プレス圧１５Ｍｐａから０．５Ｍｐａに減圧した。
【００４０】
この実施の形態では、１．５℃／秒の冷却速度で１０^１４．５ｄｐａ・ｓに相当する温度（５１７℃）まで冷却した。この冷却開始時間が図４における時間Ｔ１（ｓ）、冷却終了時間がＴ２（ｓ）である。
【００４１】
その後、搬出アーム１３が図１の矢印ｂ方向に前進駆動され、搬送皿保持部１３ａが成形ポイント１１に到達し、成形されたガラスレンズを支持した状態の搬送皿２９を保持する。プレス工程動作の終了により、下型３が下降し、搬出アーム１３は搬送皿２９を挟み込んだ状態で図１の矢印ｃ方向に後退駆動し、搬送皿２９上のガラスレンズが成形品として取り出される。
【００４２】
以下、上述した一連の工程が繰り返されることにより、ガラスレンズが連続的かつ安定的に成形される。このようにして成形されたガラスレンズは面精度ＰＶが０．２μｍ未満の非常に高精度なものであった。
【００４３】
表１は、この実施の形態と同一のガラスレンズをガラス温度と金型の温度と金型の冷却開始までの保持時間（図４におけるＴ０からＴ１までの時間）を、種々変更して成形を行った結果を示す。表１において、「○」は面精度ＰＶが０．２μｍ未満、「△」はＰＶが０．２〜０．４μｍの場合を示す。
【００４４】
【表１】

【００４５】
表１の結果から、ガラス温度はガラス素材５の１０^８ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度以上が変形量確保の観点から必要であり、ＰＶ０．２μｍ未満の高精度な成形面を得るために、金型の温度はガラス素材５のガラス転移点温度以上、ガラスと金型の融着の観点から１０^１２ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度より低い温度が適していることがわかる。
【００４６】
表２は、この実施の形態と同一のガラスレンズを実施の形態１と同一の温度設定で減圧開始タイミングと減圧後の圧力を種々変更して成形を行った結果を示す。同表において、「○」は面精度ＰＶが０．２μｍ未満、「△」はＰＶが０．２〜０．４μｍ、「×」はＰＶが０．４μｍよりも大きい場合を示す。
【００４７】
【表２】

【００４８】
表２の結果から、プレス中のガラスレンズの割れを防止するという観点からプレス中に減圧した方が良く、その減圧開始タイミングは面精度を崩さないために、ガラス素材の温度がガラス転移点温度以下に冷却されてからが良好であることがわかる。また、減圧後の圧力は１０Ｍｐａ以下であれば割れは発生しない。
【００４９】
このように、この実施の形態による成形方法によれば、非常に高精度なガラスレンズの成形が可能となる。
【００５０】
（実施の形態２）
実施の形態２では、実施の形態１に用いた装置を使用し、実施の形態１と同一硝材で同一形状のガラスレンズ５１（図８参照）を直径１４ｍｍ、中心厚８ｍｍのガラスゴブ４０（ガラス塊）から成形するものであり、図５〜図９を参照して説明する。
【００５１】
図６はガラスゴブ４０の搬送用の搬入アーム４１を示し、開閉自在の２本一対のロッドからなり、その先端部にはガラスゴブ４０を保持する保持部４１ａが開閉可能に形成されている。
【００５２】
まず、ガラスゴブ４０を搬入アーム４１の保持部４１ａにより支持して加熱炉８内に搬入し、ガラスゴブ４０を加熱ヒータ３３、３４により１０^６ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度（６９０℃）に加熱する。
【００５３】
この搬入アーム４１を図５に示すように、金型の成形ポイントまで前進させ、保持部４１ａを開いて下型３上にガラスゴブ４０を載置する。その後、搬入アーム４１を成形ポイントから退避させて下型３を上方に駆動させる。これにより図７に示すように、上型２及び下型３によってプレス成形が開始される。
【００５４】
このプレス開始の時点が図９に示す時間Ｔ０（秒）であり、このときの上型２、下型３の成形面の温度はガラスゴブ４０の粘度で１０^１４ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度（５２９℃）である。
【００５５】
プレス開始と同時にヒータ２２、２３の出力を調整して上型２及び下型３の成形面の温度を、ガラスゴブ４０のガラス転移点温度より高く、１０^１２ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度より低い温度で所定時間保持する。この実施の形態では、ガラスゴブ４０の粘度で１０^１２．８ｄｐａ・ｓに相当する温度（５４７℃）で３０秒間保持した。
【００５６】
その後、上型２及び下型３の温度制御用のヒータ２２、２３の出力を調整して、これらの金型の成形面の温度をガラスゴブ４０のガラス転移点温度以下に冷却する。これによりガラスゴブ４０はガラス転移点温度以下に冷却される。この実施の形態では図９に示すように、１．５℃／秒の冷却速度で１０^１４．５ｄｐａ・ｓに相当する温度（５１７℃）まで冷却した。この冷却開始時間が図９での時間Ｔ１（ｓ）、冷却終了時間がＴ２（ｓ）である。
【００５７】
下型３の下降によるプレス工程動作終了後、図８に示すように搬出アーム４２が前進駆動され、搬出アーム４２のガラスレンズ吸着部４２ａが成形ポイントに到達する。そして成形されたガラスレンズ５１をガラスレンズ吸着部４２ａが吸着し、この吸着状態で搬出アーム４２が後退駆動され、ガラスレンズ５１が成形品として取り出される。
【００５８】
以下、上述した一連の工程が繰り返され、ガラスレンズが連続的かつ安定的に成形される。このようにして成形されたガラスレンズは、面精度ＰＶが０．２μｍ未満の非常に高精度なものであった。
【００５９】
この実施の形態による成形方法によれば、ガラスゴブ等の大きな変形を必要とするガラス素材を成形するために、ガラス素材を１０^７ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度以上に加熱してもガラスが金型に融着することなく安定して高精度なガラスレンズを成形することができる。
【００６０】
（実施の形態３）
実施の形態３では、本発明の実施の形態１に用いた装置を使用し、実施の形態１と同一硝材で直径１８ｍｍ、中心厚１ｍｍ、コバ厚５ｍｍの凹形状のガラスレンズ（図示省略）を肉厚５ｍｍの円柱形状のガラス素材（図示省略）から成形するものであり、図１及び図１０を参照して説明する。
【００６１】
まず、実施の形態１と同様な方法でガラス素材を１０^６．５ｄｐａ・ｓに相当する温度（６７５℃）に加熱する。次に、実施の形態１と同様の方法でプレス成形を開始する。このプレス開始の時点が図１０に示す時間Ｔ０（秒）であり、このときの上型２及び下型３の成形面の温度は、ガラス素材の粘度で１０^１２．２ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度（５５１℃）である。
【００６２】
プレス開始から２０秒間（図１０中のＴ０からＴ０′までの時間）、上型２及び下型３の成形面の温度をプレス開始時温度で保持した後、温度制御用のヒータ２２、２３の出力を調整して上型２及び下型３の成形面を１次冷却（図１０中のＴ０′からＴ１までの時間）する。１次冷却は、ガラス素材のガラス転移点温度までとし、０．２５℃／秒で冷却することにより行う。そして、ガラス転移点温度到達後は２次冷却（図１０中のＴ１からＴ２までの時間）に切り替える。２次冷却は、２℃／秒での冷却速度で１０^１４．５ｄｐａ・ｓに相当する温度（５１７℃）まで冷却することにより行う。その後、実施の形態１と同様の方法でガラスレンズを成形品として取り出す。
【００６３】
以下、上述した一連の工程が繰り返すことにより、ガラスレンズを連続的かつ安定的に成形する。このようにして成形されたガラスレンズは面精度ＰＶが０．２μｍ未満の非常に高精度なものであった。
【００６４】
表３は、この実施の形態と同一のガラスレンズを実施の形態３と同一の温度設定で冷却速度を種々変更して成形を行い、アニール処理を行った後の面精度を示す。同表において、「○」は面精度ＰＶが０．２μｍ未満、「△」はＰＶが０．２〜０．４μｍの場合を示す。
【００６５】
【表３】

【００６６】
表３の結果から、一次冷却を１．０℃／秒以下にすることにより、アニール処理後の形状精度が０．２μｍ未満の高精度となることが可能となっている。また、２次冷却として、サイクルタイムを必要以上に長くしないという観点から１℃／秒以上にしても形状精度に影響なく、特に、サイクルタイムを必要以上に長くしないという観点から１℃／秒以上で且つ急冷による割れを防止する観点から４℃／秒以下が良好であることがわかる。
【００６７】
（実施の形態４）
実施の形態４では、実施の形態１に用いた装置を使用し、実施の形態１と同一硝材で同一形状である直径２０ｍｍ、中心厚５ｍｍ、コバ厚１．５ｍｍの凸形状のガラスレンズを実施の形態１と同一の中心厚５．５ｍｍのガラス素材から成形するものであり、図１、図１１を参照して説明する。
【００６８】
まず、実施の形態１と同様方法でガラス素材を１０^７ｄｐａ・ｓに相当する温度（６６３℃）に加熱する。次に、実施の形態１と同様の方法でプレス成形を開始する。このプレス開始の時点が図１１に示す時間Ｔ０（秒）である。なお、上型２及び下型３の成形面の温度はガラス素材のガラス転移点温度より高く、１０^１２ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度より低い温度に設定されている。この実施の形態では、ガラス素材７０の粘度で１０^１２・８ｄｐａ・ｓに相当する温度（５４７℃）とした。
【００６９】
また、この実施の形態では、下型３の上方への移動を中心厚５ｍｍに到達した時点で停止するように予めプログラムされた駆動装置によってプレス開始から停止までの一次加圧を行う。本実施の形態では、プレス成形開始から約２秒でガラス素材５は目的の中心厚である５ｍｍまで変形し、下型３をその位置で停止させる。このときの１次加圧は１５Ｍｐａの圧力で行った（図１１におけるＴ０からＴａまでの時間）。
【００７０】
下型３の移動停止によりプレス成形されたガラス素材５は瞬時に自由収縮を始め、ガラス素材５に対して上型２及び下型３から伝達される圧力はなくなり、ガラス素材５は無圧力保持状態となる。この実施の形態では、このときの下型３の停止時間、すなわち無圧力保持時間を３秒間とした（図１１におけるＴａからＴｂまでの時間）。
【００７１】
無圧力保持状態での保持後、下型３を再度、上方に駆動させてガラス素材５に圧力を加えて２次加圧を行う。この実施の形態では、無圧力保持を３秒間行った後、２次加圧を圧力１５Ｍｐａで３０秒間行った（図１１におけるのＴｂからＴ１までの時間）。
【００７２】
このプレス開始から２次加圧終了までの間、上型２及び下型３の成形面の温度は、ガラス素材のガラス転移点温度より高く、１０^１２ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度より低い温度で所定時間保持する。本実施の形態では、プレス開始時の金型の成形面の温度すなわちガラス素材５の粘度で１０^１２．８ｄｐａ・ｓに相当する温度（５４７℃）とした。
【００７３】
次に、温度制御用のヒータ２２、２３の出力を調整して、上型２及び下型３の成形面の温度を、ガラス素材５のガラス転移点温度以下に冷却する。これによりガラス素材はガラ転移点温度以下に冷却される。
【００７４】
金型の冷却中には、金型の成形面の温度がガラス素材のガラス転移点温度に到達した時点Ｔｃでプレス圧力を０．５Ｍｐａに減圧した。この実施の形態では、図１１に示すように、１．５℃／秒の冷却速度で１０^１４．５ｄｐａ・ｓに相当する温度（５１７℃）まで冷却した。この冷却開始時間が図１１における時間Ｔ１（ｓ）、冷却終了時間がＴ２（ｓ）である。
【００７５】
その後、実施の形態１と同様の方法に、ガラスレンズは成形品として取り出される。以下、上述した一連の工程が繰り返されることにより、ガラスレンズが連続的かつ安定的に成形される。
【００７６】
このようにして成形されたガラスレンズは面精度ＰＶが０．２μｍ未満で、中肉精度は５．０±０．００５ｍｍの範囲内となり面精度、中肉ともに非常に高精度なものであった。
【００７７】
また、成形後のガラスレンズのアニール処理を、本実施の形態に示す無圧力保持を行ったレンズと実施の形態１に示す無圧力保持を行っていないレンズとで行い、アニール処理後の形状を評価した。その結果、無圧力保持を行っていないレンズではアニール処理によるニュートン変化が２本であったのに対し、無圧力保持を行ったレンズはアニール処理によるニュートン変化は０．３本であった。これにより、アニール処理による形状変化に対しても効果があることがわかる。
【００７８】
以上の実施の形態１〜４では、金型の温度を直接的に測定することが困難なため、金型表面近傍での温度計測を熱電対２ａ、３ａを用いて行ったが、放射温度計による金型表面温度の測定や、その他の位置（金型取り付け用のホルダー等）に取り付けた温度計測手段と金型表面温度との相関をあらかじめ求め、金型表面温度の制御を実施するなどの手段を用いてもよい。
【００８０】
請求項１の発明によれば、プレス開始直後のガラス素材からの熱供給による金型表面の瞬間的な温度上昇によるピーク温度を下げられるため、大きな変形量を得るために、ガラス素材を低粘度に加熱しても金型にガラス素材が融着することがない。このため、大きな変形量を必要とする形状のガラス素材からの成形においても、高精度な光学面を有する光学素子を成形することができる。
【００８１】
請求項２の発明によれば、ヒケの発生しやすい、体積が大きくしかも中心肉厚と外周肉厚の差が大きなレンズを成形する場合であっても、保持時間を長くとることによりプレス時のガラス内部の温度分布に起因するヒケをプレスによるガラス流動により消失させることが可能となるため、ヒケのない高精度な光学面を有する光学素子を成形することが可能となる。
【００８２】
請求項３の発明によれば、体積が大きくしかも中心肉厚と外周肉厚の差が大きく、金型冷却に伴ってガラス内部に温度分布が発生しやすいレンズであっても、ヒケのない高精度な光学面を有する光学素子とすることができる。
【００８３】
請求項４の発明によれば、固化後のガラス素材への押圧力を減少させることによって、固化後のガラス素材の反り等の機械的な応力を減少させるため、割れの発生のない安定した光学素子を成形することが可能となる。
【００８４】
請求項５の発明によれば、残留応力の非常に少ない高精度な肉厚精度と高精度な光学面とを有するレンズを成形することができ、成形後にアニール処理を行っても成形後の面精度を安定して維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いるガラス成形装置の断面図である。
【図２】ガラス成形装置における搬入アームの平面図である。
【図３】ガラス成形装置のプレス成形時を示す断面図である。
【図４】実施の形態１の成形条件を示す温度−時間の特性図である。
【図５】ガラスゴブからの成形を行うガラス成形装置の断面図である。
【図６】ガラスゴブの搬入アームの平面図である。
【図７】ガラスゴブのプレス成形時の断面図である。
【図８】成形されたガラスレンズを搬出する状態を示す断面図である。
【図９】実施の形態２の成形条件を示す温度−時間の特性図である。
【図１０】実施の形態３の成形条件を示す温度−時間の特性図である。
【図１１】実施の形態４の成形条件を示す温度−時間−圧力の特性図である。
【符号の説明】
２上型
３下型
５ガラス素材
２２，２３ランプヒータ

Claims

ガラス素材を１０^８ｄｐａ・ｓから１０^４ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度まで加熱する工程と、
ガラス素材の１０^１４ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度からガラス転移点温度までの温度に設定された金型によってプレス成形を開始する工程と、
プレス成形開始後、金型温度をガラス素材のガラス転移点温度より高く、１０^１２ｄｐａ・ｓの粘度に相当する温度より低い温度範囲に調整する工程と、
金型の温度をガラス素材のガラス転移点温度より低い温度に冷却した後、プレス成形された光学素子を金型内から取り出す工程と、
を含むことを特徴とする光学素子の成形方法。
前記プレス中において、金型の温度をガラス素材のガラス転移点温度より高く、１０^１２ｄｐａ・ｓ粘度に相当する温度より低い温度範囲で３秒〜１０分間保持した後、金型の温度をガラス素材のガラス転移点温度より低い温度に冷却することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形方法。
前記金型の冷却が、金型の冷却開始からガラス素材のガラス転移点温度までの一次冷却と、ガラス素材の転移点温度以下から離型までの２次冷却とからなり、１次冷却は０．１℃／秒〜１．０℃／秒の冷却速度で冷却し、２次冷却は１．０℃／秒〜４．０℃／秒の冷却速度で冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子の成形方法。
前記金型の冷却中において、金型の温度がガラス転移点温度以下の温度になった後、ガラス素材への加圧力を１０Ｍｐａ〜０Ｍｐａの範囲で選択的に或いは傾斜的に減圧して離型温度まで冷却することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子の成形方法。
前記プレス成形のガラス素材への加圧は、１次加圧、無圧力保持及び２次加圧からなり、１次加圧はガラス素材が所望の肉厚になったときに金型のプレス動作を停止させることによって終了し、この金型のプレス動作停止を維持することによって無圧力保持を行い、プレス開始から冷却によって金型の温度がガラス転移点温度より低い温度になるまでの間に再度、プレス動作を再開して金型を移動させることにより２次加圧を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子の成形方法。