JP4214117B2 - ガラス光学素子の製造装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学ガラスからなるレンズ等の光学素子を製造する装置と方法に関し、特に、所望の光学素子形状にもとづいて精密に形状加工された成形型により、加熱軟化したガラス素材を高精度にプレス成形し、被成形面に対する研磨等の後加工を必要としない、ガラス光学素子の製造技術に関する。

近年、カメラ、ピックアップ等の光学機器に用いられる光学ガラスレンズ等の光学素子を製造するにあたり、加熱軟化したガラス素材を、金属やセラミック等からなる型によりプレス成形する製造法が多く提唱されている。この場合、ガラス素材（予備成形したプリフォーム）の形状は球形、ロッド状、扁平球形等など種々の形状がある。これら形状のガラス素子を用いて成形する場合、成形後の光学素子の形状、すなわち成形型の形状とガラス素子の相互関係によっては（例えば、型成形面の近軸曲率半径よりもガラス素材の曲率半径が大きい場合）、図５に示すように、下型２とガラス素材Ｗとの間に空間Ｓができた状態でプレス成形が行われる場合がある。この場合、空間内に存在する気体が排出されないまま成形が行われると、気体の残留した部分では成形されたガラス表面に凹みが生じ、ガストラップ痕となる。その結果、成形された光学素子の光学性能、外観品質が影響を受ける。

上記問題を解決するための方法として、次の従来技術を挙げることができる。
特開平６−９２２８号（以下、従来技術１という）には、加熱しながら加圧する途中において、圧力を少なくとも一回減圧するか零にして総変形量の略半分を加圧成形した後、冷却中に残りの加圧を行う成形方法が開示されている。
特開平８−３２５０２３号（以下、従来技術２という）には、平板状のガラス素材をプレス成形するにあたり、成形面の外周最頂部に溝又は突起を設け、成形面とガラス素材の間に存在する気体を外に逃がす方法が開示されている。
特開平１１−２３６２２６号（以下、従来技術３という）には、加圧工程において成形室を真空にする方法が開示されている。
特開平８−２４５２２４号（以下、従来技術４という）には、加熱軟化したガラス素材を成形する直前に、ガラス素材周囲の空間を減圧し、押圧成形する方法が開示されている。

特開平６−９２２８号公報 特開平８−３２５０２３号公報 特開平１１−２３６２２６号公報 特開平８−２４５２２４号公報

しかし、上記従来技術には、以下のような問題点があった。
従来技術１の方法では、加熱しながら圧力を減圧又は開放することで、閉じこめられた気体を常圧にもどしている。しかし、この方法では、空間の形状や体積によっては気体が空間に残留しやすく、すべての気体を排出するには、圧力の増減を繰り返す必要がある。また、プレス温度での離型は、ガラスの融着や成形された光学素子の外観不良を起こすことがある。

従来技術２の方法では、成形面の外周最頂部に溝又は突起を設け、成形面とガラス素材の間に存在する気体を外に逃がしている。しかし、この方法では、プレスした光学素子に前記溝や突起の形状が転写されるので、光学素子の取り付け部分などが異形になるか、又は後加工により除去する工程が必要となる。

従来技術３の方法では、成形室を真空にした後に加熱を行い、空間内の空気を排出している。しかし、この方法は、成形室が真空となるため、金型及びプリフォームの加熱に成形室内の気体を媒体とした熱伝導が利用できない。このため、加熱効率が不充分であるとともに、装置の均熱化が困難であり温度コントロールが不安定となる。

従来技術４の方法では、ガラス素材を軟化点以上の温度に加熱した後に搬送部材によって上下型間に搬送し、ガラス素材の周囲を減圧した後に押圧成形している。しかし、この方法では、ガラス素材をプレス成形に適した温度にしてから、上下型間に搬送しているので、ガラス粘度が低いためガラス素材が変形し、搬送後に下型との間に気体を密閉してしまうことが避けられない。したがって、その後減圧しても、気体を除去することができない。

このように、上記した従来技術の方法では、型とプリフォームとの間における気体が残留するような空間から気体を完全に排除して成形することはできなかった。

ところで、光情報記録媒体の記録及び/又は再生に用いられる光ピックアップにおいては、記録密度の増大とともに、分解能の高い対物レンズが必要となる。このため、これらの装置においては、光源波長を短波長化させるとともに、開口数NAの大きな対物レンズが求められるようになっている。また、光通信用のカップリングレンズにおいても、カップリング効率をより高くするために、高NAのレンズが求められるようになっている。

しかしながら、高NAのレンズは、その周縁部において面傾き角（レンズ面の法線と光軸とのなす角）が、大きくなる傾向がある。例えば、面傾き角が４０度を超え、５０度〜６３度程度になることもある。また、高NAレンズとして有用なレンズは、近軸曲率半径も小さくなる傾向がある。さらに、高NAレンズは、製造上の公差を確保するため、あるいは、波面収差を小さくする目的で中心肉厚が大きくなることがあり、その結果、ガラス素材の体積が大きくなる。

例えば、プリフォームが球形状の場合、レンズの近軸曲率半径（成形型の成形面の近軸曲率半径）RLと、ガラス素材の曲率半径RMとの関係は、RM/RLが1より大きくなり、１．０＜RM/RL≦１．６、特に、１．１≦RM/RL≦１．６程度になることもある。すなわち、ガラス素材がレンズ外径を超えない範囲で、ガラス素材の体積が大きくなる。このような形状のレンズを成形する場合、成形面とガラス素材の間に空間が生じることは避けられない。
しかしながら、上記のようにRM/RLが大きい場合においても、光学性能、外観品質の高いレンズを成形することが要求されている。

本発明は、上記事情にかんがみなされたものであり、型とガラス素材（プリフォーム）との間に気体が残留するような空間がある状態でプレス成形する場合であっても、気体の残留痕（以下、ガストラップ痕という）のない外観性能が良好なガラス光学素子を製造できる装置及び方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため本発明のガラス光学素子の製造装置は、少なくともいずれか一方が上下動可能な上型と下型を有する成形型を備え、前記上型と下型の成形面の少なくともいずれか一方との間に気体が残留するような空間が形成されるガラス素材をプレス成形するガラス光学素子の製造装置であって、前記ガラス素材のプレス成形を開始する前に、前記上型と上型支持部材の間に配設されたばね部材が押されて縮むことにより、前記上型を介して前記ガラス素材に前記プレス成形の荷重よりも小さい荷重をかけて前記空間を密閉する押圧手段と、前記上型支持部材と点接触可能な突起を上端に設け、前記突起が前記上型支持部材に当接するとプレス荷重が前記上下型に伝達されるように前記上型と前記上型支持部材の間に介設させたキャップ部材と、前記成形型を密閉する真空チャンバと、前記成形型を加熱する加熱手段と、前記真空チャンバからガスを吸引する吸引手段と、前記チャンバ内に雰囲気ガスを供給するガス供給手段とを具備した構成としてある。

ここで、前記プレス成形の荷重よりも小さい荷重は、前記空間が密閉される程度の荷重とするのが好ましく、具体的には、前記プレス成形の荷重の１／１０００〜１／５０とすることができる。

このような構成からなるガラス光学素子の製造装置によれば、型とガラス素材との間に空間ができるような関係の型とガラス素材の形状であっても、上型と上型支持部材の間に配設されたばね部材が押されて縮むことにより、上型を介してガラス素材にプレス成形の荷重よりも小さい荷重をかけて上記空間を密閉する押圧手段を具備することにより、成形型の雰囲気を減圧した状態で、当該押圧手段で上記空間を密閉し、その後、成形型周辺にガスを供給してガラス素材をプレス成形に適した温度に加熱及び/又は均熱した後、プレス成形を行うことができる。したがって、該空間にガスが閉じ込められたままプレスされることを防止し、簡単な装置によって、ガストラップ痕のない高精度な光学素子を製造することができる。
また、上型支持部材と点接触可能な突起を上端に設け、当該突起が上型支持部材に当接するとプレス荷重が上下型に伝達されるように上型と上型支持部材の間に介設させたキャップ部材を具備することにより、プレス荷重をかけるときには、上端突起を設けたキャップ部材を介して上型を押圧することにより、偏心精度に優れた光学素子を得ることができる。

また、本発明のガラス光学素子の製造方法は、少なくともいずれか一方が上下動可能な上型及び下型を有する成形型を用い、前記上型と下型の成形面の少なくともいずれか一方との間に気体が残留するような空間が形成されるガラス素材を加熱し、プレス成形することによりガラス光学素子を製造する方法であって、前記ガラス素材を上型及び下型と接する状態にしたとき、上型又は下型の少なくとも一方の成形面とガラス素材との間に前記空間が形成される前記成形型内にガラス素材を配置する工程と、前記ガラス素材がプレス成形温度まで加熱される前に、成形型雰囲気を減圧する工程と、前記ガラス素材のプレス成形を開始する前に、前記ガラス素材と上型又は下型が接した状態で、前記上型と上型支持部材の間に配設されたばね部材が押されて縮むことにより、前記上型を介して前記ガラス素材にプレス荷重よりも小さい荷重をかけて、上型又は下型の少なくとも一方の成形面とガラス素材との間に生じた前記空間を密閉する工程と、成形型雰囲気にガスを導入し、ガラス素材をガス雰囲気下で加熱又は均熱化する工程と、前記上型支持部材と点接触可能な突起を上端に設けたキャップ部材を前記上型と前記上型支持部材の間に介設させ、前記突起が前記上型支持部材に当接すると、ガラス素材にプレス荷重をかけて、プレス成形する工程と、を有する方法としてある。
ここで、成形型へのガラス素材の配置は、成形型の下型上にガラス素材を配置することをいう。このとき、上型とガラス素材は接触していても、接触していなくてもよい。

本発明のガラス光学素子の製造方法において、前記プレス成形の荷重よりも小さい荷重は、前記空間が密閉される程度の荷重とするのが好ましく、具体的には、前記プレス成形の荷重の１／１０００〜１／５０とすることができる。
また、本発明のガラス光学素子の製造方法では、成形型雰囲気の減圧を、上型又は下型の少なくとも一方の成形面とガラス素材との間に空間が形成された状態で行うことによって、前記空間内のガスを排出することができる。
例えば、下型側に空間が生じる条件の場合には、ガラス素材が下型上に配置された状態で形成された空間から、上記減圧によってガスを排出する。また、上型側に空間が生じる条件の場合には、上型とガラス素材が接した状態で、形成された空間から上記減圧によってガスを排出してもよく、又は、上型とガラス素材が非接触の状態で上記減圧を行ってもよい。

また、本発明のガラス光学素子の製造方法は、上記減圧工程の前に、ガラスと型を前記成形温度未満の所定温度まで加熱する工程を有する方法、及び／又は、ガスを排出した空間を密閉する工程において、成形型によってガラス素材に、プレス荷重より小さな荷重をかける方法とすることができる。

本発明において、プレス成形温度とは、ガラス素材を所望の光学素子の形状に変形させるために適切な温度域をいい、使用する硝種や、所望の形状によって適宜選択することができる。具体的には、前記プレス成形温度は、ガラス粘度で１０^６ｄＰａ・ｓ以上、１０^８．５ｄＰａ・ｓ未満であることが好ましい。また、ガラス光学素子のいずれか一方の面の近軸曲率半径ＲＬと、ガラス素材の曲率半径ＲＭが、
１．０＜ＲＭ／ＲＬ
の関係を満たすような条件の場合に、特に本発明によって有効にガストラップ痕を防止することができる。

このような構成からなるガラス光学素子の製造方法によれば、ガストラップ痕のない高精度な光学素子を簡単な方法で確実に製造することができる。

以上のように本発明のガラス光学素子の製造技術によれば、ガラス素材と型の間に形成される空間からのガス排出と、その後の空間の密閉をガラス素材の形状に影響を与えることなく行え、一方、ガラス素材に対する加熱、均熱を雰囲気ガスの中で効率的に行うことができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、ガラス光学素子を製造する本発明の一実施形態にかかる装置の概略断面図である。
図１に示すガラス光学素子の製造装置は、成形型を構成する上型１及び下型２と、これら上下型１，２を保持するスリーブ３を有している。上型１とスリーブ３の上部は上型加熱部材６内に相対移動可能に収納されている。下型２とスリーブの下部は下型加熱部材７内において固定されている。スリーブ３には、スリーブ３の内部における上下型１，２の間及びガラス素材Ｗと下型２の間に形成された空間Ｓからのガスをスリーブ３の外部に抜き出すための細孔３ａが設けてある。
上型１と上型支持部材８の下面との間には、ばね部材としての圧縮ばね４が配設してあり、さらに、上型１及びスリーブ３の上端面と圧縮ばね４との間には、キャップ部材５が介設してある。
上型１と上型支持部材８の下面との間には、非押圧時に圧縮ばね４が上型１を押圧しないようにするための隙間が設けられている。
また、キャップ部材５は、その下面が上型１及びスリーブ３の上端面と当接可能な幅を有する平面状に加工されており、上端には、上型支持部材８の下面８ａと点接触が可能な突起５ａが設けてある。

上型加熱部材６は上型支持部材８に固定されており、上型支持部材８は上型軸１０に固定されている。すなわち、上型支持部材８は、上型加熱部材６を介して上型１とスリーブ３を支持している。一方、下型加熱部材７は下型支持部材９に固定されており、下型支持部材９は可動する下型軸１１を介して図示しないモータに連結されていて、モータにより鉛直方向に上下動させられる。上型加熱部材６と下型加熱部材７は、上型１、下型２を加熱するときは、図１のように上型１、下型２を覆うような位置に配置される。

下型軸１１により下型２が押し上げられると、上型１が上型加熱部材６内を上方に移動する。このとき、キャップ部材５が上型支持部材部材８の下面８ａに当たるまでは、圧縮ばね４が押されて縮むことにより弱い荷重を、上型１を介してガラス素材Ｗに作用させる。
このときの圧縮ばね４による荷重は、プレス荷重より小さな荷重とする。
なお、プレス荷重は、ガラス素材を所望の光学素子の形状に変形させるために必要な荷重であり、使用する硝種や、光学素子の形状により適宜選択する。上記圧縮ばねによる荷重は、このプレス荷重より小さいものであり、ガラス素材がプレスに適した温度に加熱され、あるいは均熱化される前の比較的高粘度状態であっても、型や離型膜を損傷しない程度の荷重である。具体的には、プレス荷重の１／１０００〜１／５０程度であることが好ましい。圧縮ばね４のばね定数は、ばねの収縮量を位置センサで読み取って制御しやすい距離となるような値とするとよい。

さらに、下型２が上昇し、上型１が上型加熱部材６内を上方に移動するとキャップ部材５の突起５ａが上型支持部材８の下面８ａと当接する。さらに、下型２が上昇すると、キャップ部材５が、上型１の上端面を押圧し、プレス荷重が上下型に伝達される。このようにして下型２とスリーブ３が上昇して、キャップ部材５の下面がスリーブ３の上端面に当接したとき、その当接した位置を上型の押し切り位置として、プレスを完了させ、肉厚を制御することができる。

なお、キャップ部材上端の突起５ａは、断面が山形又は円弧状に形成してあり、上型支持部材８の下面８ａと当接したときに、プレス荷重の印加方向が常に鉛直方向となるように作用させ、荷重の印加方向が傾斜することによって生じる成形レンズの偏心精度の低下を防止する。

上型１、下型２、スリーブ３には、例えば炭化ケイ素、窒化ケイ素などのセラミック、又は超硬合金などが用いられる。成形面は、成形しようとする光学素子の形状にもとづいて精密加工される。
上型１及び下型２によって光学素子に成形されるガラス素材としてのプリフォームＷは、本実施形態では球形状となっているが、楕円形、矩形等他の形状であってもかまわない。また、ガラス素材としては、プリフォームのほかガラスコブ等であってもよい。

上型加熱部材６、下型加熱部材７の周りには上下型１，２を加熱するための高周波誘導コイル２０を配設してある。ここで、上型加熱部材６、下型加熱部材７は、高周波により誘導加熱されやすい素材を用いており、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、タングステンなどを用いる。成形型の素材としてセラミックを用いる場合には、上型加熱部材６、下型加熱部材７として、近似した熱膨張率を有するタングステン合金などを用いることが好ましい。

また、上型１、下型２の成形面には離型膜を有することが好ましい。離型膜としては、ダイヤモンド状炭素膜（以下、ＤＬＣ）、水素化ダイヤモンド状炭素膜（以下、ＤＬＣ：Ｈ）、テトラヘドラルアモルファス炭素膜（以下、ｔａ−Ｃ）水素化テトラヘドラルアモルファス炭素膜（以下、ｔａ−Ｃ：Ｈ）、アモルファス炭素膜（以下、ａ−Ｃ）、水素化アモルファス炭素膜（以下、ａ−Ｃ：Ｈ）、窒素を含有するカーボン膜等の炭素系膜、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、タングステン（Ｗ）、及びタンタル（Ｔａ）から選ばれる少なくとも一つの金属を含む合金膜が適用できる。特に、炭素を主成分として含有する離型膜は、優れた離型性を備えているので好ましい。

また、離型膜は、ＤＣ−プラズマＣＶＤ法、ＲＦ−プラズマＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲ−プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、レーザーＣＶＤ法等のプラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法などのイオン化蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、蒸着法やFCA（Filtered Cathodic Arc）法等によっての成膜することができる

成形型の上型加熱部材６には、上型測温用熱電対１２が、下型加熱部材７には下型測温用熱電対１３が差し込まれており、これら熱電対の測定結果にもとづいて上下型の温度バランスをモニターし、高周波誘導コイル２０による加熱温度を制御する。

また、上型支持部材８と上型軸１０及び下型支持部材９と下型軸１１には、後述するガス供給手段１０２と連接するガス供給路１５が設けてあり、また、成形室１００の真空チャンバ１０１の下部には後述する真空ポンプ１０４と連接する排気路１６が設けてある。

上記成形型は図１に示すように石英管により構成された真空チャンバ１０１からなる成形室内１００にセットされている。真空チャンバ１０１は上下に開閉可能で、図示しないロボットなどにより、上方に持ち上げられる。さらに、図示しない搬送アームなどにより、下型２上にガラス素材Ｗを供給できるようになっている。

成形室１００には、窒素供給手段１０２からバルブ１０３及びガス供給路１５を介して窒素ガスを供給できるようになっている。窒素ガス供給路１５は上型軸１０から上型加熱部材６上方を通して供給する通路と、下型軸１１から下型加熱部材７の下面を通して供給する通路からなっている。ガス供給路１５には図示しない流量調節器が設けられている。
また、成形室１００を真空にするための真空ポンプ１０４と真空バルブ１０５が設けられている。成形室１００には室内からガスを排気するための排気路１６が設けてある。この排気路１６は、バルブ１０５を介して真空ポンプ１０４に連接されている。
成形室１００から排気を行うときは、窒素ガス供給用のバルブ１０３とリークバルブ１０６を閉め、排気用のバルブ１０５を開け、真空ポンプ１０４を作動させることによって行う。また、成形室１００内を窒素ガス雰囲気にするときは排気用バルブ１０５を閉じ窒素ガス供給用バルブ１０３を開き、かつリークバルブ１０６を開くことによって行う。

以下、上記構成の成形装置でガラス光学素子を成形する工程について説明する。
まず、真空チャンバ１０１を上方に移動させ、下型２を高周波誘導コイル２０より下方に下げた状態で上型１及びスリーブ３を持ち上げる。下型２の成形面上にガラス素材Ｗを載置し上型１及びスリーブ３をセットする。このとき、下型２の成形面の近軸曲率半径（レンズの近軸曲率半径）RLと、ガラス素材の曲率半径がRM１．０＜RM/RLとなっているので、下型２の成形面とガラス素材Ｗの間に空間Ｓが形成される。
次に、真空チャンバ１０１を下げ成形室を密閉空間にする。下型加熱部材７を高周波誘導コイル２０に加熱される位置まで上昇させる。このとき、圧縮ばね４の上端は上型支持部材８の下面８ａに接触しない位置となっている。この状態で、バルブ操作により成形室１００に対する真空引き・窒素導入を３回程度繰り返した後、成形室内が常圧又は陽圧となるようにする。このようにして成形室１００内を窒素雰囲気としたところで高周波誘導コイル２０に通電し上下型加熱部材６、７を加熱することで上下型１，２、スリーブ３、及び上下型間に配置されたガラス素材Ｗを加熱する（図２のＩ）。

次に、上下型測温用熱電対１２、１３で上型１と下型２の温度をモニターし、所定温度となったときに、調整器（図示せず）によって高周波誘導コイル２０に対する通電を制御し、温度を一定に保ち始める。
また、温度が一定になるまでの任意の間に、バルブ１０５を開いて成形室１００内からガスを吸引する。このときのガラス素材の温度は、プレス成形温度未満、好ましくはガラス転移点以上、プレス成形温度未満とする。
なお、プレス成形温度とは、前述のとおりガラス素材を所望の光学素子の形状に変形させるために適切な温度をいい、使用する硝種や、所望の形状によって決定する。上記ガス吸引はガラス素材がそれより低い温度にあるときに行う。
具体的には、好ましいプレス成形温度とは、１０⁶〜１０^8.5dPa・sの粘度に相当する温度範囲内の所定温度であり、ガスを吸引するときの好ましい温度は、ガラス粘度で１０¹¹dPa・s相当温度以上、１０^8.5dPa・s相当温度未満である。
成形室１００内の真空度は、低ければ低いほど好ましいが、０．０４ＭＰａ以下程度であれば本発明の効果は十分に得られる。好ましい真空度は１０ｋPa、
より好ましくは１ｋＰａ程度以下である。この真空引きによって、空間Ｓ内のガスが排出される。

その後、下型２を上方に移動させ、キャップ部材５と上型加熱部材６の間で圧縮ばね４を圧縮させる。このときには、空間Ｓが、上型1の成形面とガラス素材Ｗの表面によって密閉される程度の荷重がかかるくらいの圧縮量とする。具体的には、ガラス素材Ｗに１０〜５００gf程度の荷重、好ましくは、１００〜３００ｇｆの荷重が作用する程度の圧縮量とする。この状態を所定時間（例えば、１０秒程度）維持した後、成形室１００内に再度窒素ガスを供給することにより、再度、成形室１００内の雰囲気を常圧又は陽圧とする。このようにしても、下型２とガラス素材Ｗが密着し、空間Ｓが密閉されているので、空間Ｓにはガスが入り込まない。
なお、下型２の荷重及び／又は移動量を微調整することによっても、上型に対し、上型1の成形面とガラス素材Ｗの表面によって密閉される程度の荷重をかけることも可能である。この場合には、圧縮ばね４を省略することができ、また、キャップ部材５を、上型1の上端面と上型支持部材８の下面８ａの間に、圧縮ばね４を介することなく配置する。

このあと、上型１、下型２及びスリーブ３は、さらに余熱によって加熱されつつ均熱化され、ガラス素材Ｗがプレス成形に適した温度域となるまで昇温される。
成形時には、上下型の成形面と、ガラス素材の温度が、１０^8.5〜１０^7.5ｄPa・sの粘度に相当する温度となっていることが好ましい。このとき、成形室内には、常圧又は陽圧のガスが存在するので、これが媒体となって熱伝導が効率よく行われ、また、熱電対を用いた温度コントロールも安定して行うことができる（以上、図２のII）。

このあと、下型２をさらに上昇させ、キャップ部材５の突起５ａを上型支持部材８の下面８ａに当接させてプレスを開始する。
プレス時の下型上昇速度は、０．００１〜１ｍｍ/secが好ましく、より好ましくは、０．０１〜０．５ｍｍ/secである。プレス荷重は５０〜３００ｋｇｆ/cm²が適切であり、１００〜２００ｋｇｆ/ｃｍ²がより好ましい。キャップ部材５の下面が上型１の上端面を押圧しスリーブ３の上端面と当接した（押し切った）ところで（例えば２０秒間程度）維持する（図２のIII）。

その後、冷却を行う。冷却は、３０〜２００℃/min、好ましくは５０〜１００℃/minの速度で徐冷し、転移点温度以下の５００℃で荷重を解放し、その後、急冷を開始する。急冷時の冷却速度は、１００〜３００℃/min程度であって、上記徐冷よりも速い速度で冷却する。なお、冷却（徐冷、急冷）の速度は、導入する窒素ガスの流量を図示しない流量調節器によって制御することで行う（図２のIV）。
冷却の際、成形された光学素子は熱収縮するが、このときにスリーブや上下型と熱膨張係数が異なる。これを考慮し、冷却中に上下型の成形面が離れることの無いように、ガラスの熱収縮に上型が追随できるように、上型１のフランジとスリーブ３の段部の間が、押し切り時に接触しないよう、余裕を設けてある。このようにすることで、光学素子のヒケを防止し、良好な面精度を達成する。

所定温度、例えば１００℃まで降温した時点で、下型２を高周波誘導コイル２０より下方に下げ、窒素導入を停止し真空チャンバ１０１を上方に移動させ、上型１及びスリーブ３を持ち上げプレスされたレンズを取り出す。その後、新たなガラス素材Ｗを供給し、上型１とスリーブ３をセットしてプレスサイクルを繰り返していく。

なお、上記例では、下型２を移動させることでプレスを行なったが、上型１を移動させてもよいし、上下型１，２の両方を移動させてもよい。また、成形室１００に導入するガスは、非酸化性のガスであり、窒素ガスのほか、ヘリウムガス、又は窒素ガスと水素ガスの混合物（例えば窒素９５％以上）などでもよい。
また、上記の代替手段として、成形型外でガラス素材を転移点以上、好ましくは１０^1１dPa・s相当温度以上となる温度に加熱し、その後成形型内に供給してもよい。
本実施形態の場合、成形面とガラス素材Ｗの間に形成される空間Ｓは下型側であったが、上型側でもよく、両方にあってもよい。成形しようとするレンズ形状とガラス素材の形状の関係で、どちらか一方に空間が生じる場合には、下型側になるように配置することが好ましい。

なお、上型１が重すぎると、ガラス素材の供給後に上型１をセットし、上型をガラス素材上に載せると、上型１の自重で空間Ｓが密閉されてしまうため、成形室１００内を減圧しても、空間Ｓからガスが排出されないことになる。そこで、上型１の自重によってガラス素材にかかる荷重は、成形室１００内を真空にしたとき空間内外のガスの圧力差により上型１がわずかに持ち上がる程度としてある。また、上型側に空間Ｓが形成されるように配置し、上型１がガラス素材に非接触の状態で減圧してもよい。
さらに、前述のとおり、成形室１００内を減圧する際の真空度は、低ければ低いほど好ましいが、０．０４ＭＰａ以下程度であれば本発明の効果は十分に得られる。この場合、プレス成形開始時に、下型の上昇速度を小さくすることによって、空間Ｓにトラップされたガスを排出することができる。例えば、減圧時に０．０４ＭＰａの真空度であって、プレス時の下型の上昇速度を０．５ｍｍ/sec以下としたとき、成形された光学素子にガストラップは見られなかった。
本発明で適用されるガラス素材の大きさに制限はない。しかし、重量精度の高い球プリフォームを用いることが好適であり、さらに、溶融ガラスの滴下による熱間成形プリフォームが最も適している。また、このようなプリフォームの体積は、５〜７０ｍｍ³が好ましい。

本発明は、光学素子のいずれか一方の面の近軸曲率半径RLと、ガラス素材の曲率半径RMが、
１．０＜RM/RL の関係であるとき、
好ましくは、１．０ ＜ RM/RL ≦ １．６の関係、
より好ましくは、１．２ ≦ RM/RL ≦ １．６の関係
であるときに、効果が顕著である。

本発明は、光学素子は、いずれか一方の面が非球面形状であるときに好適に実施することができるが、これに限定されるものではなく、球面であってもよい。このときは、上記RLは、球面の曲率半径とする。
また、本発明は、ガラス素材が、球状のときに好適に実施することができるが、扁平球（両凸形状）にも適用することができる。この場合には、光学素子の近軸部分に対応する偏平球の曲率半径をRMとする。
本発明によれば、ガラス素材と成形面の間に空間が生じる条件を避けるために、ガラス素材に特殊な形状加工を施す必要がなく、溶融状態から滴下又は流下したガラスを熱間で成形した、球状又は扁平球状の公知のガラス素材を用いることができる。したがって、生産効率が高く、コスト上も有利である。
レンズの大きさは、外径が５ｍｍ以下のものが好ましい。

また、レンズが光軸部分のレンズ厚をｄ、焦点距離をｆとしたとき、
１＜ｄ/ｆ＜３ の関係となるような形状であるとき、本発明の効果が顕著である。このようなガラス素材体積とレンズ形状の相関が、ガストラップを生じやすいものになるからである。

ガストラップ痕は、十分に小さければ光学素子の性能に致命的な影響を与えるものではないが、その直径が２００μm、好ましくは１００μmを超えないことが望ましい。本発明の製造方法によれば、型とガラス素材の間に閉じた空隙ができるような、型とガラス素材の関係であっても、成形された光学素子の表面近傍に、直径２００μm以上のガストラップ痕が存在しない光学素子の成形が可能である。
例えば、第１面又は第２面の近軸曲率半径がRLであるような曲面を有する光学素子であって、光学素子の体積をＶとするとき、
（4/3）π（RM’）³ ＝ V
の関係を満たすRM’が、１．０＜RM’/RL の関係であるときには、前記光学素子表面近傍に存在するガストラップ痕が直径２００μm以下のガラス光学素子を製造することが可能である。
ここで、光学素子表面近傍のガストラップ痕とは、素子表面下に気泡が見られるもの、及び表面上に凹みとして見られるものをも含む。特に、１．０＜RM’/RL＜１．６のとき、効果が顕著である。

さらに、本発明によって成形する光学素子に限定は無いが、高NAの光情報記録媒体の記録/再生用対物レンズ、又は光通信用のレンズを成形するときに本発明を適用すると効果が高い。これは、上記高NAレンズにおいては、面傾き角の大きい、もしくは、第1面の曲率半径が小さい形状が、性能上有利であり、またレンズ厚との関係で、球プリフォームの曲率半径が、レンズの近軸曲率半径（すなわち上型又は下型の成形面の近軸曲率半径）よりも大きくなり、ガストラップの問題が生じやすいからである。
また、光学素子としては、成形後に芯取り工程を必要としない芯取りレスレンズが好ましい。このようにすると、レンズ体積と等しい体積のプリフォームを使用でき、また、工程を増やさなくてすむからである。
特に、前記ガラス光学素子は、いずれかの光学機能面（好ましくは第1面）の開口数NAが０．７以上、さらには、０．８以上であるときに、本発明の効果が顕著である。

また、本発明のガラス光学素子は、少なくとも一つの非球面を有することが好ましく、両非球面レンズに最も好適である。
この非球面レンズは、光ピックアップ装置に用いることができる。具体的には、対物レンズとして用いる単レンズであって、開口数NAが０．７以上、より好ましくは０．８以上であり、使用波長３８０〜４５０nmにおいて、波面収差総合値WFEが０．０６λrms以下、より好ましくは０．０４λrmsであることができる。このような対物レンズは、高密度の光情報記録媒体の記録/再生用のピックアップ装置に用いることができる。
このようなピックアップ装置としては、例えば、光源と、光源からの光束を光情報記録媒体に集光する対物レンズとを有する光ピックアップ装置において、前記光源の波長が７００nm以下、より好ましくは５００nm以下であるような装置がある。

第１実施例
図１に示すガラス光学素子製造装置を用いた第１実施例について説明する。
図２には第１実施例におけるプレススケジュールを示す。
本実施例において、ガラス素材Ｗは球体であり、ｎｄ＝１．６９３５０ νｄ＝５３．２０ 屈伏点温度５６０℃ 転移点温度５２０℃の光学ガラス素材を、φ２．７ｍｍに研磨加工して製造したものである。
このガラス素材Ｗを、成形面の近軸曲率半径が１．１mmである下型２の成形面上に室温で載せ、次に上型１、スリーブ３をセットした。下型２とガラス素材Ｗとの間には空間Ｓが形成され、中心の最大高さは７５μｍであった。なお、図１では、わかりやすくするため空間の大きさが強調して描写されている。
下型２とガラス素材の接触している部分の径はφ２．２ｍｍである。プレス後のレンズは外径φ３．１ｍｍ、肉厚２．０ｍｍである。

以下、上記構成の成形装置でプレスする工程について説明する。
成形室１００内の成形型にガラス素材Ｗをセットした後、バルブ１０３，１０５，１０６を操作して成形室１００内に対し真空引き・窒素導入を３回繰り返した。その後、成形室１００内を窒素雰囲気としたところで高周波誘導コイル２０に通電し上下型加熱部材６，７を加熱することで上下型１，２、スリーブ３、ガラス素材Ｗを加熱した。上下型測温用熱電対１２，１３で温度をモニターし（実際にはガラス素材温度は、実測している型温度より、若干温度上昇に遅れが出る（図２参照））、１０^1１ｄａ・ｓ相当の５３０℃になったところで成形室１００内の真空度が５０Ｐａ程度以下になるまで真空引きをした。
その後、下型２を上方に移動させ、圧縮ばね４を１ｍｍ縮めることによりガラス素材Ｗに２５０ｇｆ程度の荷重を作用させた。１０秒程度その状態を維持した後、成形室１００内に窒素ガスを導入して陽圧にした。次いで、１０^８．０ｄＰａ・ｓ相当の温度５９０℃になったところで、この温度を一定に保ち始めさせた。型温度を一定に保つ均熱化を３０秒経た後、下型２を０．０３mm／ｓｅｃの速度で上昇させプレスを開始した。プレス荷重は１５０ｋｇｆとした。押し切ったところで２０秒間維持した。その後、９０℃／minの徐冷速度で冷却し、転移点温度以下の５００℃で荷重を解放し、急冷を開始した。冷却後、下型２を高周波誘導コイル２０より下方に下げ、窒素導入を停止し真空チャンバ１０１を上方に移動させ、上型１及びスリーブ３取り除きプレスされた光学素子（レンズ）を取り出した。

以上のようなプロセスにより製造された光学素子（レンズ）の外観を観察したところ、ガストラップ痕は全く見られず完全に型形状を転写していた。また、レンズの性能として収差を測定したところ４０５nmの測定波長でトータル波面収差０．０２〜０．０３λrmsを満足していた。

以上のように、プレス温度付近の温度で成形室１００内をいったん真空にすることにより、ガラス素材Ｗと下型２との間に形成される空間Ｓにトラップされていたガスが排出される。その後、圧縮ばね４による弱い荷重でガラス素材Ｗを押圧することによってガラス素材Ｗと下型２との接触部分をシールする。したがって、この状態で再び窒素ガスを導入しても空間Ｓに窒素ガスが進入することはない。なお、真空引き後窒素ガスを導入した状態で均熱化させることでガラス素材Ｗの全体がプレス可能な粘度に達し、高いプレス荷重（ここでは１５０ｋｇｆ）で押し切プレスすることができる。

比較例
比較のため、真空引き中における圧縮ばね４による弱い荷重を、プレス時と同様の荷重にしたところ、ガラス素材Ｗは粉々に破壊され、下型２のSiCからなる型材も破損した。
また、従来技術にあるように、ガラス素材Ｗを均熱化して成形温度に達した後に成形室１００内を真空にし、その後プレスした結果、得られた光学素子には、ガストラップ痕があった。これは、均熱化によりガラス素材の粘度が下がり、弱い荷重でも変形する粘度となっているため、ガラス素材Ｗが下型成形面に密着し、成形室１００内を真空にしても、空間Ｓからガスが排出されなかったためである。
さらに、圧縮ばねによる弱い荷重を作用させないで上記成形プロセスを実行したところ、ガストラップ痕がレンズに発生した。これは、真空引き後における、窒素ガスの再導入時に、空間Ｓに窒素ガスが入り込んだためである。
また、さらに、成形室を真空にしたまま加熱してプレスしたところ、温度制御している熱電対が成形温度になった後、均熱時間を設けプレスを行ったが、ガラス素材の加熱が十分に行われずガラス素材が割れ、型が破損した。

本実施例において、プレス前の真空開始のタイミングは型温度がガラス素材の転移点温度以下でもよい。しかしながら、成形サイクルタイム短縮の為には、ガラス素材が成形温度に近づいてから真空引きを行った方が有利である。真空引きする成形室内の真空度はできるだけ低いほうが好ましいが０．０４ＭＰａ以下程度でもよい。これはプレスするときのガラス素材の粘度が５×１０⁶ｄＰａ・ｓ相当の温度以下で、下型の上昇速度（プレス速度）が０．５ｍｍ／ｓｅｃ以下であれば、多少空間Ｓにガスが残留していてもトラップされているガスが排出されるからである。
また、真空引き中の弱い荷重は、ガラス素材と型の接触径がφ２．２ｍｍの場合、５０ｇｆ以上であることが好ましく、これ以下ではガストラップ痕が発生することがある。真空引き後窒素ガスを導入してからの均熱時間は１０秒以上あればよいが、好ましくは３０秒以上である。

第２実施例
図３に示すガラス光学素子の製造装置を用いた本発明の第２実施例について説明する。
図３は、装置の型周辺部の縦断面図である。図４は本第２実施例におけるプレススケジュールを示す。
ガラス素材の硝種、レンズ及び型形状は第１実施例と同じ構成とした。
本実施例においては、成形室１００は、プレス室チャンバ１０１ａと、加熱炉チャンバ１０１ｂ及び冷却炉チャンバ１０１ｃを有しており、成形型は、成形室内を図３において左から右へ、図示しないレールあるいは回転テーブルなどによって移動する構成となっている。成形室１００の各チャンバ１０１ａ〜１０１ｃは、真空ポンプ１０４によりいったん真空引きされ、バルブ１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃを閉じた後窒素ガス導入バルブ１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃを開いて窒素ガスに置換することができる構成となっている。加熱炉チャンバ１０１ｂ、プレス室チャンバ１０１ａ及び冷却炉チャンバ１０１ｃは図示しない抵抗加熱ヒータにより一定温度に設定されている。

成形室１００の両端にはシャッター１１２，１１５が設けられていて、その外側には別の図示しない予備室チャンバが設けられており、大気と窒素の置換をそれぞれ行ってから成形室１００に成形型の出し入れを行うようになっている。これにより、成形室１００（プレス室チャンバ１０１ａ、加熱炉チャンバ１０１ｂ及び冷却炉チャンバ１０１ｃ）は、常に窒素ガス雰囲気が保たれるようになっている。また、プレス室チャンバ１０１ａと加熱炉チャンバ１０１ｂとの間、及びプレス室チャンバ１０１ａと冷却炉チャンバ１０１ｃとの間には、シャッター１１３及び１１４が設けられている。これはプレス室チャンバ１０１ａ内で独立して真空引き，窒素ガス導入を行うことができるようにしたものである。

以下、第２実施例の工程について説明する。
図示しない型分解組み立てユニットにより下型２にガラス素材Ｗを置く。次いで、上型１をスリーブ３に挿入したものを型支持台１７に設置し、図示しない予備室チャンバに投入し真空引きを行った後窒素ガスを導入してガス置換を行った。窒素ガス置換終了後シャッター１１２を開け加熱炉チャンバ１０１ｂに型支持台１７ごと移動させる。加熱炉チャンバ１０１ｂの第一加熱炉は７００℃に設定されていて１００秒後に第二加熱炉に移動する。第二加熱炉は６３０℃に設定されており、ここで１００秒間加熱されたところで、型支持台１７は１０^8.5ｄＰａ・ｓ相当の温度５８０℃まで加熱される。次にシャッター１１３を開け型支持台１７ごと６４０℃に設定されたプレス室チャンバ１０１ａに移動させ、シャッター１１３を閉じる。このとき、シャッター１１４も閉じておく。次に、バルブ１０５ｂを開けプレス室チャンバ１０１ａ内を５０Ｐａ程度の真空度にする。これにより、下型２の空間Ｓからガスが排出される。

次いで、シリンダー１１０によりプレスヘッド１０を、圧縮ばね４が１ｍｍ縮む位置まで下降させる。この下降量は、位置センサ１１１によって測定する。このときのばね定数は２５０ｇｆ／ｍｍで、２５０ｇｆの荷重が作用する。１０秒程度この状態を維持した後、窒素ガス導入バルブ１０３ｂを開けプレス室チャンバ１０１ａ内に窒素ガスを導入する。このとき、ガラス素材Ｗと下型２はシールされているので、空間Ｓにはガスが入り込まない。１０^8.0ｄＰａ・ｓ相当の温度５９０℃になったところで型温度を一定に保つ均熱化を３０秒行い、その後プレスヘッド１０を０．０３mm／ｓｅｃの速度で下降させプレスを開始する。プレス荷重は１５０ｋｇｆとし、押し切ったところで２０秒間維持した。

プレスヘッド１０を上昇させシャッター１１４を開けて、型支持台１７を冷却炉チャンバ１０１ｃに移動させる。冷却炉チャンバ１０１ｃの第一冷却炉（徐冷炉）は４５０℃に設定されている。１００秒経過後、型支持台１７を第二冷却炉（急冷炉）に移動させ、１００秒経過した後に図示しない予備室チャンバを経て型を分解し、ガラス光学素子であるレンズを取り出した。
以上のようなプロセスにより製造された光学素子の外観を観察したところ、ガストラップ痕は全く見られず完全に型を転写していた。また、レンズの性能として収差を測定したところ４０５nmの測定波長でトータル波面収差０．０２〜０．０３λrmsを満足していた。
なお、真空引きを開始する温度は、第１実施例のように上記条件より低い温度でもよいが、このようにするとサイクルタイムが長くなる。
以上のように、第２実施例においても、第１実施例と同様ガストラップ痕のない外観性能の良好な光学素子を得ることができる。また、成形型を各炉に一型ずつ位置するようにセットすれば、成形サイクルタイム１００秒以下で光学素子を製造することができる。また、各炉に型を多数セットできるようにしプレスヘッドもそれに合わせた本数とすることにより量産化も可能となり、低コスト生産が実現できる。

本発明は、高い成形精度が求められる成形品のプレス成形に適用が可能で、特に、デジタルカメラやＤＶＤなどの光記録媒体に用いられる光学レンズのプレス成形に好適である。

本発明のガラス光学素子製造装置の概略断面図である。 本発明のガラス光学素子製造装置によってガラス光学素子を製造する第一実施例のプレススケジュールを示す図である。 本発明のガラス光学素子製造装置の第２実施形態の概略断面図である。 図３に示すガラス光学素子製造装置によってガラス光学素子を製造する第二実施例のプレススケジュールを示す図である。 ガラス素材とした型の間に空間が形成された状態を示す概略図である。

符号の説明

１ 上型
２ 下型
３ スリーブ
４ 圧縮ばね（ばね部材）
５ キャップ部材
Ｗ ガラス素材
Ｓ 空間

Claims (9)

1. 少なくともいずれか一方が上下動可能な上型と下型を有する成形型を備え、前記上型と下型の成形面の少なくともいずれか一方との間に気体が残留するような空間が形成されるガラス素材をプレス成形するガラス光学素子の製造装置であって、
   前記ガラス素材のプレス成形を開始する前に、前記上型と上型支持部材の間に配設されたばね部材が押されて縮むことにより、前記上型を介して前記ガラス素材に前記プレス成形の荷重よりも小さい荷重をかけて前記空間を密閉する押圧手段と、
   前記上型支持部材と点接触可能な突起を上端に設け、前記突起が前記上型支持部材に当接するとプレス荷重が前記上下型に伝達されるように前記上型と前記上型支持部材の間に介設させたキャップ部材と、
   前記成形型を密閉する真空チャンバと、
   前記成形型を加熱する加熱手段と、
   前記真空チャンバからガスを吸引する吸引手段と、
   前記チャンバ内に雰囲気ガスを供給するガス供給手段と、
   を具備したことを特徴とするガラス光学素子の製造装置。
2. 前記プレス成形の荷重よりも小さい荷重が、前記プレス成形の荷重の１／１０００〜１／５０である請求項１に記載のガラス光学素子の製造装置。
3. 少なくともいずれか一方が上下動可能な上型及び下型を有する成形型を用い、前記上型と下型の成形面の少なくともいずれか一方との間に気体が残留するような空間が形成されるガラス素材を加熱し、プレス成形することによりガラス光学素子を製造する方法であって、
   前記ガラス素材を上型及び下型と接する状態にしたとき、上型又は下型の少なくとも一方の成形面とガラス素材との間に前記空間が形成される前記成形型内にガラス素材を配置する工程と、
   前記ガラス素材がプレス成形温度まで加熱される前に、成形型雰囲気を減圧する工程と、
   前記ガラス素材のプレス成形を開始する前に、前記ガラス素材と上型又は下型が接した状態で、前記上型と上型支持部材の間に配設されたばね部材が押されて縮むことにより、前記上型を介して前記ガラス素材にプレス荷重よりも小さい荷重をかけて、上型又は下型の少なくとも一方の成形面とガラス素材との間に生じた前記空間を密閉する工程と、
   成形型雰囲気にガスを導入し、ガラス素材をガス雰囲気下で加熱又は均熱化する工程と、
   前記上型支持部材と点接触可能な突起を上端に設けたキャップ部材を前記上型と前記上型支持部材の間に介設させ、前記突起が前記上型支持部材に当接すると、ガラス素材にプレス荷重をかけて、プレス成形する工程と、
   を有することを特徴とするガラス光学素子の製造方法。
4. 前記プレス成形の荷重よりも小さい荷重が、前記プレス成形の荷重の１／１０００〜１／５０である請求項３に記載のガラス光学素子の製造方法。
5. 前記成形型雰囲気の減圧工程が、上型又は下型の少なくとも一方の成形面とガラス素材との間に前記空間が形成された状態で、前記空間内のガスを排出する工程である請求項３又は４のいずれか一項に記載の製造方法。
6. 上記減圧工程の前に、ガラスと型を前記成形温度未満の所定温度まで加熱する工程を有する請求項３〜５のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法。
7. 前記空間を密閉する工程において、成形型によってガラス素材にプレス荷重より小さな荷重をかけることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載のガラス光学素子の製造方法。
8. 前記プレス成形温度が、ガラス粘度で１０^６ｄＰａ・ｓ以上、１０^８．５ｄＰａ・ｓ未満である請求項３〜７のいずれか一項に記載のガラス光学素子の製造方法。
9. ガラス光学素子のいずれか一方の面の近軸曲率半径ＲＬと、ガラス素材の曲率半径ＲＭが、
   １．０＜ＲＭ／ＲＬ
   の関係を満たす請求項３〜８のいずれか一項に記載のガラス光学素子の製造方法。

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