JP4045833B2

JP4045833B2 - 光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP4045833B2
Application number: JP2002098329A
Authority: JP
Inventors: 賢治北岡
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2002-04-01
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2022-04-01
Also published as: JP2003292327A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学素子の製造方法に関し、より詳細にはダイレクトプレス法による光学素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光学技術の発展に伴って光学素子の形状も従来に比べ複雑なものとなってきている。特に非球面レンズは光通信用の接続レンズや光ファイバーの入出力素子、光ピックアップ用対物レンズなどに欠くことができないものであるが、形状が複雑なために従来は、超精密加工機による直接加工か、又はプラスチックの射出成形により製造されていた。
【０００３】
ところが最近、ガラス素材による成形品の需要が急速に伸びてきた。これはガラス素材が、熱膨張係数が小さく位置決めが容易であること、屈折率が高いこと、そして成形面の形状精度が高いこと、さらには熱的安定性に優れること等がその理由である。
【０００４】
そこで、プレス成形によりガラス光学素子を安価で大量に生産する方法がこれまで多数検討されている。プレス成形による光学素子の製造方法の一つとして、所望の光学素子の形状に予め加工されたプリフォームを再加熱して軟化状態にし、金型間で加圧成形する、いわゆる「再加熱プレス法」がある。この製造方法は、使用できるガラス素材の種類が広範で、また成形できる光学素子の大きさにも制約がないので一般に広く採用されているが、軟化工程、成形工程、冷却工程の各工程のプロセス時間が数分間から十数分間と極めて長く、製造コストが高くなってしまうという問題を有している。
【０００５】
一方、プレス成形による光学素子のもう一つの製造方法として、溶融状態のガラス素材を下金型または支持部材により保持し、再加熱することなくそのまま金型間で直接的にプレス成形する、いわゆる「ダイレクトプレス法」が提案されている（例えば特公平4−32772号公報）。このダイレクトプレス法では、溶融したガラスを金型上に滴下した後にもう一つの金型でプレスするので、ガラスの滴下から成形、取り出しまでの時間が数十秒から数秒程度と極めて短く生産性が非常に高い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで近年、レーザーダイオードやフォトダイオードなどの光素子あるいは光ピックアップユニット等へのレンズの接合を容易にするため、レンズ外周が心取された形状となるように予め成形されたレンズ（心取レスレンズ）や、鏡筒と一体成形されたレンズ（鏡筒一体成形レンズ）の需要が高まっている。従来、これらの成形レンズは再加熱プレス法により生産されていたが、この方法では前述のように生産コストが高くなってしまうという問題があるので、心取レスレンズや鏡筒一体成形レンズをダイレクトプレス法で製造しようとする試みがなされている。
【０００７】
しかしながら、ダイレクトプレス法において、再加熱法と同じように有底丸穴が形成された下金型あるいは鏡筒が取り付けられた下金型（丸孔・鏡筒の周壁が外周規制部）を用いて、下金型の対向上方から上金型を下降させてガラスをプレス成形する場合には、有底丸穴あるいは鏡筒に溶融ガラスが滴下した瞬間にガラスの広がりによって有底丸穴あるいは鏡筒の底面と外周面が先ず冷却固化してしまい、外周面の形状を忠実に転写することができなくなり、いびつなレンズ形状となる問題があった。
【０００８】
本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ダイレクトプレス法を用いて心取レスレンズや鏡筒一体成形レンズ等の光学素子を外周面の形状を忠実に転写しながら製造できる方法を提供することにある。
【０００９】
また本発明の目的は、微小な光学素子をダイレクトプレス法によって効率的に製造できる方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明によれば、下金型の上面に形成された曲面状の凹部に、溶融したガラスを滴下させた後、前記下金型の対向上方に位置し外周規制部を有する上金型と、前記下金型とを両者が接近するように相対的に移動させて、前記外周規制部で前記ガラスの外周を規制しながら前記ガラスをプレス成形して光学素子を製造する製造方法であって、溶融ガラスの滴下路に貫通孔を有する滴下量調整部材を設け、ガラス滴を前記貫通孔に衝突・通過させることによりガラス滴を微小化し微小ガラス光学素子を製造することを特徴とする光学素子の製造方法が提供される。
【００１１】
ここで鏡筒一体型の光学素子を効率的に製造するには、鏡筒を上金型に取り付け、これを外周規制部として用いるのが好ましい。
【００１２】
第２の発明によれば、下金型の上面に形成された曲面状の凹部に、溶融したガラスを滴下した後、前記下金型の対向上方に位置する上金型と前記下金型とを両者が接近するように相対的に移動させるとともに、前記下金型を側方から挟み込むように２以上に分割された外周規制部材を移動させ、前記上金型と前記外周規制部材とを略同時に前記ガラスに接触させてプレス成形を行い光学素子を製造することを特徴とする光学素子の製造方法が提供される。
【００１３】
また、前記第２の発明の製造方法において微小なガラス光学素子を製造するには、溶融ガラスの滴下路に、貫通孔を有する滴下量調整部材を設け、ガラス滴を前記貫通孔に衝突・通過させてガラス滴を微小化させるのが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本願各発明に係る製造方法に共通する大きな特徴の一つは、下金型の上面に曲面状の凹部を形成し、そこにガラスを滴下させることにある。かかる構成により、ガラス粘性と表面張力の作用で滴下の位置のバラツキを緩和するようにガラス塊が移動し、形状精度が向上する。また同時にこの構成により、外径の小さな（厚い）ガラス魂を得ることができる結果、ガラスの急激な冷却を抑えることができ、プレス工程の際に精密な面転写が可能となる。
【００１５】
また、本願各発明に係る製造方法に共通するもう一つの大きな特徴は、ガラスが下金型に滴下した後に外周規制部又は外周規制部材をガラスに接触させて外周を規制することにある。かかる構成により、ガラスの急冷却を避けることができ精密な面転写ができる。またプレス工程の際、上金型によってガラスはその頂点から周辺へ向かって徐々に押し広げられるので、良好な外周面の転写が可能となり心取り工程が不要となる。
【００１６】
以下、本願各発明に係る製造方法について順に説明する。まず、第１の発明に係る製造方法の一例を示す工程図を図１に示す。まず、ルツボ（不図示）で溶融したガラスをノズルＮの下端から下金型２の上面に形成された曲面状の凹部２１に滴下する（同図（ａ））。このとき、溶融ガラスの滴下路の途中に、上方に向かって拡大するテーパを施した貫通孔３１が穿設された滴下量調整部材３を設け、ガラス滴をこの貫通孔３１に衝突・通過させてガラス滴を微小化している。下金型２に滴下するガラス滴の大きさ、すなわちガラス滴量はこの貫通孔３１の大きさにより調整することができる。一方、下金型２に滴下したガラス滴はその粘性と表面張力の作用で曲面状凹部２１の中心位置に移動する。このため滴下位置のバラツキが緩和される。また厚いガラス滴が形成され、ガラス滴の急激な冷却が抑えられる。
【００１７】
なお、ガラス滴の滴下距離は、ガラス滴の大きさやガラスの粘度、温度等から適宜決定すればよいが、２００〜１０００ｍｍ程度が好適である。また金型の材料としては、従来公知の材料から選定可能であるが、溶融状態のガラスが直接接触する下金型は、熱を逃がすため熱伝導率が４０Ｗ／ｍＫ以上であることが望ましい。上金型、下金型共に図示しない加熱手段によってガラスのＴｇ付近の温度に制御されている。また、本発明に用いるガラスとしては特に限定はく、従来公知のガラス例えば重フリントガラス、ランタン系ガラス、ホウケイ酸クラウンガラス等の光学ガラスを使用するができる。
【００１８】
次に、外周規制部１３を有する上金型１を下金型２の対向上方から下降させる（同図（ｂ））。ここで外周規制部１３は上金型１に形成された有底穴の周壁である。したがって上金型１にこのような有底穴を穿設すれば外周規制部が同時に形成されることになるが、穴の底面は転写面となるため高い面精度が要求されるところ、一般に穿設加工では充分な面精度が得られない。そこで、上金型１を、凸状部分を有する部材１１と、この凸状部分に嵌合する孔を有する部材１２とから構成し、凸状部分１１１の先端面を鏡面加工した後、この凸状部分１１１をもう一方の部材１２の孔１２１に、孔が一部残るように嵌合させて組み合わせるのが好ましい。また、この両部材１１，１２は異なる材質であってもよいが、熱膨張係数が異なると部材間に隙間や応力が発生するので、同一の材質が望ましい。
【００１９】
そして、外周規制部１３でガラスの外周を規制しながら上金型１を下降させて、ガラスをプレス成形する（同図（ｃ））。このとき、上金型１の穴の底面によってガラスはその頂点から周辺へ向かって徐々に押し広げられる。これにより良好な外周面の転写がなされる。プレス成形の成形条件は従来公知の条件がここでも採用できる。この図では上金型１の穴の底面を平面としているが、これに限定されるものではなく、製造したい光学素子の形状に合わせて種々の形状とすることができる。例えば図２に示すように、上金型１の穴の底面に曲面状の凹部を形成すれば両側が球面レンズの光学素子ができ（同図（ａ））、前記底面に曲面状の突部を形成すれば一方面が球状凸で反対面が球状凹の光学素子ができる（同図（ｂ））。なお、上金型の穴の底面に曲面状の凹部を形成する場合には、曲面状凹部の曲率をガラス滴の曲率よりも大きくする点に留意する必要がある。図３に示すように、曲面状凹部の曲率がガラス滴の曲率よりも小さいと、ガラス滴の頂点の周囲が上金型と最初に接触するためにガラス滴の頂点と上金型との間に空隙が生じ、そこに気体が封じ込められて良好な転写ができなくなるからである。
【００２０】
プレス成形が完了すれば上金型１を上昇させて、ガラス成形品を金型から取り出す（図１（ｄ））。そしてまた、下金型２に溶融したガラスを滴下して前記各工程を繰り返す。このような製造方法によれば、再加熱法のような金型の加熱・冷却時間が不要となるため、製造時間を再加熱法の１／１０〜１／２０程度にまで短縮できる。
【００２１】
第１の発明に係る製造方法の他の実施形態を次に説明する。図４に、この製造方法の一例を示す工程図を示す。図１に示した製造方法と異なる点は、上金型１に鏡筒４を取り付けこれを外周規制部として用いる点である。以下、図１に示した製造方法と異なる点を中心にこの製造方法を説明する。ノズルＮの下端からガラスを下金型２の上面に形成された曲面状の凹部２１に滴下する（図４（ａ））。次に、下金型２の対向上方から上金型１を下降させる（同図（ｂ））。ここで上金型１は、凸状部分１１１を有する部材１１と、この凸状部分１１１に嵌合する孔１２１を有する部材１２とからなる。そして、この孔１２１の下端部には拡大径部１２２が形成され、この拡大径部１２２に鏡筒４が取り付けられている。なお、孔１２１の内周面と鏡筒４の内周面とは面一となっていることが必要である。
【００２２】
次に上金型１に取り付けた鏡筒４によりガラスの外周を規制しながらガラスをプレス成形する（同図（ｃ））。そして上金型１を上昇させて金型からプレス成形品を取り出す。このときガラスの冷却固化によりガラスと鏡筒とは強力に接着しており、光学素子は鏡筒一体として取り出される。
【００２３】
次に、第２の発明に係る製造方法について説明する。この発明に係る製造方法の一例を示す工程図を図５に示す。図１に示した製造方法と同じ部分はその説明を省略し、異なる部分について主に説明する。まず図１に示した製造方法と大きく異なる点は、滴下したガラスをプレス成形する際に図１の製造方法では上金型に外周規制部を設けて一体として移動させるのに対し、図５の製造方法では上金型１と外周規制部材５，５’とを別体とし、さらに外周規制部材を２つに分割し、上金型１を下降させると同時に分割した外周規制部材５，５’を下金型２を側方から挟み込むように移動させてプレス成形を行う点にある。ここで上金型１と外周規制部材５，５’とがガラスに略同時に接触することが重要である。上金型１と外周規制部材５，５’とがガラスに接触するのに時間差があった場合、上金型１及び外周規制部材５，５’の一方が先に接触したガラス部分から冷却が始まり、もう一方の部材が接触した時にはガラスの固化が進み良好な転写ができなくなるからである。したがって「略同時」とは、「同時」のみならず、良好な転写が可能な範囲での接触時間差をも含むものである。この図では外周規制部材５，５’は２つに分割しているが、これに限定されるものではなく、さらに複数に分割してももちろん構わない。
【００２４】
【実施例】
実施例１
図１に示した製造装置を用い装置全体を窒素雰囲気にした状態で、ガラス転移温度６５０℃のホウ酸ランタン系ガラスを、粘度が１０ｄＰａ・ｓとなる温度１，１００℃でノズル下端から２００ｍｇ滴下した。そして、滴下路に設けた金属板（滴下量調整部材）に穿設された直径１．３ｍｍの貫通孔にガラス滴を衝突・通過させて１０ｍｇの微小滴にした後、温度６５０℃に設定した下金型上に形成された曲率半径０．９ｍｍ、球面部直径１．２ｍｍの球面状の凹部に滴下した。次に外径規制部を有する上金型（６５０℃）によってプレス成形して心取レスレンズを作製した。図６（ａ）に示すように、作製したレンズは成形面及び外周側面の転写形状は良好であった。
【００２５】
実施例２
実施例１と同様の製造条件でガラスの微小滴を作製し、温度６５０℃に設定した下金型に形成された曲率半径０．７ｍｍ、球面部直径１．０ｍｍの球面状の凹部に滴下した。次に鏡筒を取り付けた上金型（６５０℃）によってプレス成形することのよって鏡筒一体型レンズを作製した。図６（ｂ）に示すように、作製した鏡筒一体型レンズは成形面及び外周側面の転写形状は良好であった。
【００２６】
実施例３
ガラス転移温度４９０℃のリン酸系ガラスを、粘度が３ｄＰａ・ｓとなる温度１，０００℃でノズル下端から１８０ｍｇ滴下した。そしてこのガラス滴を、温度４５０℃に設定した下金型上に形成された曲率半径６．０ｍｍ、球面部直径７．０ｍｍの球面状の凹部に受けた。次に外径規制部を有する上金型（４５０℃）によってプレス成形して心取レスレンズを作製した。作製したレンズの成形面及び外周側面の転写形状は良好であった。
【００２７】
比較例１
図７に示す製造装置を用いて、実施例１と同様の条件で微小滴を作製し、温度６５０℃に設定した、外径規制部２２を有する下金型２上に滴下した。次に上金型１（６５０℃）によってプレス成形して実施例１の心取レスレンズと同形状を狙ったレンズを作製したが、図８に示すように、作製したレンズの成形面の転写性は良好であったものの、外周側面の転写形状はいびつな形状であった。
【００２８】
比較例２
実施例３と同様の条件で微小滴を作製した後に、温度４５０℃に設定した、外径規制部を有する下金型上に滴下した。次に上金型（４５０℃）によってプレス成形することのより実施例３の心取レスレンズと同形状を狙ったレンズを作製したが、作製したレンズの成形面の転写性は良好であったものの、外周側面の転写形状はいびつな形状であった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係る製造方法では、下金型の上面に曲面状の凹部を形成し、そこにガラスを滴下させるので、ガラス粘性と表面張力の作用で滴下の位置のバラツキを緩和するようにガラス塊が移動し、形状精度が向上する。またこのような構成により、外径の小さな分厚いガラス魂を得ることができるので、ガラスの急激な冷却を抑えることができプレス工程の際に精密な面転写が可能となる。
【００３０】
また、本発明に係る製造方法では、ガラスが下金型に滴下した後に外周規制部又は外周規制部材をガラスに接触させて外周を規制するので、ガラスの急冷却を避けることができ精密な面転写ができ、またプレス工程の際、上金型によってガラスの頂点から周辺へ向かって徐々に押し広げられるので、良好な外周面の転写が可能となり心取り工程が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明に係る製造方法の一例を示す工程図である。
【図２】他に製造し得る光学素子の形状を示す図である。
【図３】上金型の穴底面の曲率とガラス滴の曲率との関係を示す図である。
【図４】第１の発明に係る製造方法の他の例を示す工程図である。
【図５】第２の発明に係る製造方法の一例を示す工程図である。
【図６】実施例１，２で得られた光学レンズの断面図である。
【図７】比較例１の製造方法を示す工程図である。
【図８】比較例１で得られた光学レンズの断面図である。
【符号の説明】
１上金型
２下金型
３滴下量調整部材
４鏡筒
５，５’ 外周規制部材
１３，２２外周規制部
２１凹部
３１貫通孔

Claims

下金型の上面に形成された曲面状の凹部に、溶融したガラスを滴下させた後、前記下金型の対向上方に位置し外周規制部を有する上金型と、前記下金型とを両者が接近するように相対的に移動させて、前記外周規制部で前記ガラスの外周を規制しながら前記ガラスをプレス成形して光学素子を製造する製造方法であって、溶融ガラスの滴下路に貫通孔を有する滴下量調整部材を設け、ガラス滴を前記貫通孔に衝突・通過させることによりガラス滴を微小化し微小ガラス光学素子を製造することを特徴とする光学素子の製造方法。
前記外周規制部として上金型に取り付けた鏡筒を用い鏡筒一体型の光学素子を製造することを特徴とする請求項１記載の光学素子の製造方法。
下金型の上面に形成された曲面状の凹部に、溶融したガラスを滴下した後、前記下金型の対向上方に位置する上金型と前記下金型とを両者が接近するように相対的に移動させるとともに、前記下金型を側方から挟み込むように２以上に分割された外周規制部材を移動させ、前記上金型と前記外周規制部材とを略同時に前記ガラスに接触させてプレス成形を行い光学素子を製造することを特徴とする光学素子の製造方法。
溶融ガラスの滴下路に貫通孔を有する滴下量調整部材を設け、ガラス滴を前記貫通孔に衝突・通過させることによりガラス滴を微小化し微小ガラス光学素子を製造する請求項３記載の光学素子の製造方法。