JP4231760B2 - 光学ガラス素子の成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学ガラス素子の成形装置に関する。

最近、レンズ系の設計自由度の拡大や今まででは不可能な小型化あるいは大口径化、さらには光学性能向上の要求が高まり、これを可能にする非球面レンズのニーズが増大している。この非球面レンズ形状を有する光学素子の成形方法としては、非球面形状を有する成形型の間に光学ガラス素材を配置した状態で押圧することにより成形して所望形状の光学素子とする方法が多数開発されている。

例えば、略円筒形状の部材であるスリーブ（以下、単に「スリーブ」という）内に摺動可能に挿入された一対の略円柱形状の成形型の間に光学ガラス素材を挟んだ状態で、スリーブの外周部からランプヒーターにより加熱を行い、成形型を相対的に接近させて押圧し成形を行うことがなされている。この方法においては、ランプヒーターが成形型や光学ガラス素材を均等に加熱するよう設計されている。このような均等に加熱する方法として、特開平７−２７７７５０号公報等においては、成形型の内部に中空の凹部を設けて成形面の乱れを相殺するように温度制御を行っている。このように成形型あるいは加熱手段の構成上、温度分布を均等にするための様々な手段を講じるのは、成形されるガラス内部の温度分布を均等に維持するのが最適であるという概念に基づくものである。

ところが、このような方法では、光学ガラス素材が厚い場合や非球面の場合に、均等な温度分布の制御が難しく、対応ができないものとなっている。このため、光学ガラス素材の厚みに応じて温度制御する方法が従来より開発されている。

この従来の方法の一つとして、光学ガラス素材を単体で加熱する工程を備えた方法において、その単体加熱時に、所望の光学ガラス素子形状の厚みに応じて温度分布を付与することが行われている（特許文献１参照。）

また、別の方法として、成形後の冷却工程において、光学面部中心の温度を非光学面部の温度よりも高く保ちながら冷却することが行われている（特許文献２参照。）。
特開平５−２４８５８号公報 特開平２−５５２３５号公報

しかしながら、特開平５−２４８５８号公報のように、押圧成形前の光学ガラス素材の単体状態での加熱工程で温度分布を付与して成形を行っても、実際には光学ガラス素材と成形型の成形面が接触した後の極めて短時間のうちに光学ガラス素材と成形型との間で熱交換が発生するため、付与した温度分布が消滅する問題がある。このことは、最近進歩した温度分布計算のシミュレーション技術を用いて実際に温度分布の計算を行った結果、明らかになっている。

特開平２−５５２３５号公報では、冷却中の金型に温度分布を付与するために、熱源に接する金型の一部にくり抜きを設けている。しかしながら、この発明では、加熱中、冷却中を問わず積極的に温度分布を付与するものではなく、温度分布制御を確実且つ正確に行うことができないものとなっている。

本発明は、成形される光学ガラス素材内部の加熱中や冷却中の温度分布を積極的に制御することにより、以上の従来の問題点を解決することを目的とする。より具体的には、従来より注目されている冷却時の光学ガラス素子の温度制御だけでなく、加熱から冷却に至る過渡的な温度分布を制御することにより従来の問題点を解決するものであり、そのための成形装置を提供するものである。

上記目的を達成するため、請求項１の発明の光学ガラス素子の成形装置は、相対する一対の上型と下型とからなる成形型の間に光学ガラス素材を配置し、前記成形型を加熱するとともに前記光学ガラス素材を流動可能な状態まで加熱し、前記成形型を相対的に接近させることにより押圧成形を行い、冷却後に前記成形型と前記光学ガラス素材とを離反させて、光学ガラス素子を取り出す光学ガラスの成形装置において、前記成形型に対する温度分布を付与する温度分布付与手段と、前記成形型が内部に配置され、前記上型と下型とに対応した断熱境界を有する略円筒形状の部材であるスリーブと、前記スリーブの外側から前記成形型を加熱する前記上型と下型とに対応する２つ以上の光エネルギー加熱手段と、を有することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の光学ガラス素子の成形装置であって、前記温度分布付与手段は、前記上型と下型の少なくとも一方の内部に形成した空間に、前記成形型の材料とは異なる熱伝導率を有した材料からなる温度調整部材を配置したものであることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２記載の光学ガラス素子の成形装置であって、前記温度調整部材は、前記成形型と該成形型が固定される軸部材とに接触していることを特徴とする。

本発明によれば、従来では不可能であった様々な温度分布による成形条件を実施することが可能となり、これにより、従来ではなし得なかった形状的難易度の高い光学ガラス素子を成形することができる。また、成形面精度または成形の安定性を大幅に高めて光学ガラス素子を製造することができ、しかも光学ガラス素子に発生する形状変化（例えば「反り」）のコントロールや、離型のし易い形状への収縮量のコントロールが可能であり、さらには、従来の均温加熱成形のように成形圧力の微妙なコントロールやその保持等の精度向上手段を講ずることが必ずしも必要ではないため、成形サイクルタイムを短縮することが可能となる。

図１〜図５を用いて、本発明を原理的に説明する。図１は光軸に対して回転対称な形状で、光軸方向の中心部厚さが１ｍｍに対して成形型に接触している最外周部の厚さが４ｍｍ、直径が１５ｍｍの両凹レンズを成形するための成形型を示し、上側の上型５１と、下側の下型５２とが対向している。上型５１の成形面５１ａは非球面形状、下型５２の成形面５２ａは球面形状となっている。なお、成形される光学ガラス素子の形状としては、図１で示す回転対称形状以外であっても良く、例えば、プリズムやバイナリ光学素子であったり、トーリック面を形成する非回転対称なガラス素子形状、その他の形状であっても良い。

上型５１と下型５２の間に光学ガラス素材５５を挟み、それらの加熱を開始する。ここでは、押圧開始まで上型５１及び下型５２と光学ガラス素材５５とを接触させた状態で加熱するが、加熱が終了した後、上型５１を光学ガラス素材５５に接触させても良い。また成形される光学ガラス素材５５の形状を両平面の円柱形状としているが、光学ガラス素材５５と成形完了時の形状が少しでも異なるのであれば、光学ガラス素材５５の形状や種類が限定されるものではない。

光学ガラス素材５５のガラス転移点は例えば、５１０℃で、そのときの粘度は、１０^{１２．７５}ｐｏｉｓｅであり、軟化点は例えば、５９５℃で、そのときの粘度は、１０^７．６５ｐｏｉｓｅであり、この区間の温度−粘度曲線はほぼ直線的に変化する。この光学ガラス素材５５と上型５１及び下型５２を加熱して、光学ガラス素材５５の温度が５５０℃以上、上型５１の成形面の光軸中心（面頂）部が５５５℃に達した時点で押圧を開始する。このとき、光学ガラス素材５５と接触することが予定される上型５１及び下型５２における成形面５１ａ、５２ａの最外周部の温度は５４８℃に設定してある。

押圧を行うための加圧力Ｆは、例えば、２０００Ｎ／ｃｍ^２とする。加圧と同時に、加熱された光学ガラス素材５５は変形を始め、上型５１と下型５２に沿って上型５１及び下型５２の成形面５１ａ、５２ａと、これに接触した光学ガラス素材５５との間で熱交換が行われ、主に熱容量の遙かに大きい上型５１と下型５２の温度にガラス素材５５の温度が同化しながら光学ガラス素材５５は周辺方向に延ばされて広がっていく。

図１は、押圧を開始した直後の状態であり、上型５１の成形面５１ａの中心部に存在する光学ガラス素材５５は外周側への流動がほとんど発生しないため、上型５１の接線と垂直な方向に加圧力Ｆを受け、反力Ｆ’が発生するが、粘度が下がった状態であるため、Ｆ＞Ｆ’となり、光学ガラス素材５５が変形を始める。

次に、光学ガラス素材５５が押圧により押し広げられて、成形面の接線と光軸に垂直な平面とのなす角度θが２０°となったとき（このときの上型５１−光学ガラス素材５５の接触部分をポイントＡとする）における従来から行われている均等な温度で成形を行う場合を図２により説明する。

図２では、中心位置から離れるに従って、分解された反力は小さくなりポイントＡでの反力Ｆ’’’は、中心部分の反力Ｆ’’に比較して非常に小さくなる。これは、光学ガラス素材５５の中心部分に比べて、外周部分では解放されている外周部（光学ガラス素材５５の非成形型接触部分）があるために流動の自由度が高いことによる。また、解放されている面積は、成形型を相対的に接近させる方向と平行な方向の長さが中心部よりも長い場合に大きくなり、成形面に作用する圧力が低下する。同様に、外周部の光軸と垂直な平面に対してなす角度θが増えるほど光学ガラス素材５５からの反力が低下する。さらに、その角度θが所定角度を超えると、光学ガラス素材５５が成形面から離れてしまうことがある。

この結果、従来においては、外周部に近づくと、所望の成形面精度を確保する圧力を得ることができない。図３は、この従来と比較して温度分布を付与した成形型を用いて押圧する本発明の方法を示している。

図３に示す上型５１のポイントＡでは、上型５１の光軸中心位置よりも相対的に３℃低い温度分布が上型５１に付与されている。この場合、ポイントＡでは成形型の成形面と接触した光学ガラス素材５５との熱交換により、中心位置よりも温度が下がり粘度が高くなっているため、流動の自由度が低下する。このため、ポイントＡにおける反力Ｆ’’’を大きくすることが可能となる。すなわち、成形面に対する押圧力を増して転写精度を向上させることが可能となる。特に、成形面の接線が光軸と垂直な平面に対してなす角度が１５°以上の場合に、図２に比べて顕著な効果が発生する。

本発明では、ガラスの粘度を下げるために、加熱して押圧中の成形面の温度、すなわち成形型の温度分布を動的に変化させるものであり、これにより、中心部及び外周部において光学ガラス素材５５及び成形面に作用する圧力を制御することが可能となる。ここで、中心部と周辺部の理想的な温度差は、押圧するガラスの粘弾性及び押圧速度、光学ガラス素材５５の体積及び成形面の形状により大きく変化するため、特に規定はしないが、少なくとも温度測定誤差よりも大きい、２℃以上の温度差を付与することが望ましい。

例えば、成形される形状が中心部付近の厚みに対して外周部の厚みが小さい凸レンズの場合は、上型５１と下型５２の相対距離変化により、外周部ほど径方向へ広がる距離が大きくなる。すなわち光学ガラス素材５５の流動速度が速くなるが、光学ガラス素材５５の流動方向と成形面（例えば５１ａ）の押圧方向が対向する方向となり、同時に広がるための抵抗が増えるため、外周部の温度を上げることにより、成形型を押圧する成形圧力を下げ、同時に外周部の成形面精度も確保することが可能となる。

十分な光学ガラス素材５５の変形が完了した後は、冷却を開始する工程に移行する。ここまでの工程で、すでに成形型に付与した温度分布を介して光学ガラス素材５５に温度分布を付与したことによる効果が存在している。従来のような冷却を開始してから温度分布を付与し始める方法の場合には、部分的な冷却を行うことによって、またはあまり好ましくないが、部分的な加熱を行うことによってサイクルタイムの延長を招くのは必至であり、さらに面精度の安定性を確保する上で不安定要因になる可能性が高い。これに対し、本発明の方法では、加熱中に付与した温度分布のまま、あるいは分布の形状を連続的に変化させることにより、安定した状態で次の工程、すなわち温度を下げる冷却工程に移行することが可能となる。なお、分布の状態は必ずしも変更する必要はないが、本発明の温度分布付与手段によれば、安定してなお且つ積極的に温度分布を変化させる制御が可能となる。

冷却工程において、従来のように均温状態、すなわち成形型と光学ガラス素材に温度差がない状態で冷却を開始した場合には、特開平２−５５２３５２号公報において当該公報の図４を用いて説明されているような致命的な問題が発生する。これは、当該公報の図４に示すように、中心部と周辺部におけるガラスの厚みの違いに基づいて発生する収縮量の差により、外周部のガラスと型が剥離する。このとき、ガラスの粘度が十分に高い状態であれば、成形面の転写精度は低下しないが、現実にはまだ粘度の上昇が不十分な冷却状態で剥離が発生するため、所望の転写精度を得ることができない。

これに対し、本発明は、従来のような成形型に接触している光学ガラス素材の中心部から周辺部までの温度分布を付与する際に特に制御を加えることのない方法とは異なる。本発明においては、成形型へ付与する温度分布を積極的に制御するものであり、これにより、以上の問題点を解決することができる。

図４はこれを説明するものであり、成形型による押圧が完了して光学ガラス素材５５が所望の範囲まで広がり、冷却を開始する直前の状態を示す。なお、光学ガラス素材５５の押し広げが完了するまでに、中心部温度を５５５℃、外周部温度を５４５℃に連続的に制御し、圧力は押圧時と同様の状態を保っている。

全体の温度は、冷却のため時間の経過と共に低下し、最終的には流動不可能な状態まで達する。このような過程において、付与した温度分布により、中心部は流動可能で、外周部は流動不可能な状態を発生させることができる。そして、このときには、外周部の収縮に対応して、中心部は外周部の収縮による成形面と光学ガラス素材５５との剥離が発生しないようにさらに変形を続けることが可能となる。厳密には、外周部の成形面と離間した位置から流動状態が停止し、外周部まで僅かではあるが流動が発生することにより、上記剥離の発生を防止できるものである。

この温度分布による流動の制御は、単純に成形面５１ａ、５２ａと光学ガラス素材５５との剥離を防止するだけではなく、さらに、冷却中に発生する成形品の割れを防止することも可能となる。すなわち、図に示した成形面の形状では、従来の均等温度で押圧、冷却を行った場合、その形状要因から、冷却による形状の変化（例えば「反り」）が生じる。これは、図５に示す成形品の光軸５３に対して垂直な平面であって上下の成形型の面頂間隔の中点を通る面に対して、非球面側の距離Ｌ１と球面側の距離Ｌ２が異なり、均等な温度で冷却された場合の光学ガラス素材５５内に発生する応力を想定した場合、非球面側の残留応力が大きいために生じる。これに対し、本発明においては前述の「反り」が発生しにくい。これは、冷却時に流動を発生させ、これにより応力を最も小さい状態に制御することが可能なため、内部の歪みを大幅に減らすことが可能になるからである。このような状態で、十分な冷却を行い、ガラスの流動が発生しない領域において、上型５１と下型５２とを相対的に離反させ、成形された光学ガラス素子を得る。

本発明においては、光学ガラス素材の加熱が完了し、成形型を相対的に接近させて光学ガラス素材が変形を開始し、押圧を完了した後に冷却して成形型のいずれかを光学ガラス素材から離反させるまでに５０秒以上を要するものであり、この間、積極的な温度分布が継続される。これにより、温度分布が短時間の内に消滅する従来の問題点を解決することができる。

なお、本発明においては、温度分布の制御により、成形面の転写精度を保った状態で、離型が容易に可能となる光学ガラス素材５５の「反り」を光学ガラス素材５５内の残留応力状態により作り出すことも可能となる。すなわち、上下の成形型の温度分布を積極的に変化させる手段を用いることにより、成形品に発生する流動状態、ひいては応力の発生方向及びその発生量までも制御することが可能となるのである。

次に、凸レンズ形状の冷却状態における作用を説明する。凸レンズでは、凹レンズとは逆に、冷却過程においては中心部すなわち厚みの大きい部分の温度を低く、外周部の厚みが小さい部分の温度が高い温度分布を付与した状態で冷却することにより、中心部の粘度が高まり、流動不能な状態で収縮が発生しても、外周部はまだ流動が可能な状態にあるため、さらに外周部へガラスが広がることにより成形面とガラスの剥離を防ぐことができる。また、従来の均等冷却、すなわち温度分布を保ったまま冷却する場合は、成形面を均等に冷却しても中心部のガラスは、その形状から発生する熱容量の相違によって冷却が遅れ、最後に中心部が収縮する。これに伴い、外周部と中心部とで引っ張り合うため、成形品が破損する。このことは、サイクルタイムを短くするために短時間で冷却を行う場合に多く発生していたが、本発明を用いることにより、破損を防ぐことが可能となる。以上に加えて、本発明による積極的な温度分布の制御を行うことにより、単なる成形品の破損を防止するだけではなく、成形品の光学面のクセの量やその位置のコントロールまで可能となる。

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。

（実施の形態１）
図６は、温度分布の付与を可能にした実施の形態１の成形装置を示す。

上型１及び下型２は光学ガラス素材２０を成形するに足る温度領域で十分な強度を有した材料（例えば、超硬合金、ＳＩＣ等）によって形成されている。これらの型１，２は、型を相対的に駆動する上軸５及び下軸６にアタッチメント１６，１７により接続されている。なお、説明を容易にするため、上型１及び下型２の成形面の形状は平面としているが、成形面は、全く任意に所望の形状とすることができる。

上型１及び下型２の内部には、空間３及び空間４が形成されている。この空間３，４は、それぞれの型１，２の略中央部分に位置するように形成されるものである。空間３，４には、型１，２を構成する材料の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有した材料、例えば高密度アルミナ等が充填されている。この熱伝導率と熱容量は、成形型を構成する材料が有している熱伝導率以下であれば、後述する所望の温度分布に対して最適な材料を適宜選択することができる。

上型１、下型２の内部には、熱電対１０、熱電対１１が挿入されている。また、上型１の近傍の周囲には、加熱手段としての雰囲気加熱炉８が、同様に下型２の近傍の周囲には雰囲気加熱炉９が設置されている。加熱手段としては、雰囲気加熱炉８、９に限定する必要はなく、ランプヒーター等と代替することも可能である。また、雰囲気加熱炉８、９は上下の成形型に対応して２分割されているが、上下の型１，２の温度を調整する必要がなければ、１つの雰囲気加熱炉を用いても良い。これらの雰囲気加熱炉８，９は、熱電対１２，１３によって温度制御されるものである。

上軸５及び下軸６には、冷却経路１８，１９が形成されており、冷却媒体を冷却経路１８，１９に供給することにより、上型１及び下型２の温度制御が可能となっている。

この実施の形態では、まず、不図示の手段により光学ガラス素材２０を下型２上に載置し、アタッチメント１６を介して上型１と接続された上軸５、同じくアタッチメント１７を介して下型２と接続された下軸６を相対的に接近させて光学ガラス素材２０を挟み、雰囲気加熱炉８、９により上型１、下型２及び光学ガラス素材２０を熱電対１０と１１を用いて温度制御を行いながら加熱する。

上型１、下型２及び光学ガラス素材２０が輻射熱により所望の温度に達した状態で、不図示の駆動ユニット（例えば、直動型のエアシリンダやサーボモータとボールねじを用いた直動方向の駆動機構）を用いて加圧を行い、光学ガラス素材２０の押圧、成形を行う。そして、所望の位置まで上型１と下型２を接近させた後、雰囲気加熱炉８、９による加熱を停止し、冷却を開始する。

これと同時に、それまでは気体が密閉された状態の冷却経路１８、冷却経路１９に対して冷却媒体を流すことで冷却を開始する。使用する冷却媒体は２０Ｎ／ｃｍ^２に加圧された純水であるが、所望の冷却速度によっては、さらに熱容量の大きいオイル、例えばＩＳＯ ＶＧ７８クラスの鉱油を用いたり、熱容量が小さい水蒸気や窒素等の気体を用いることも可能である。なお、加熱時においては、上軸５及び下軸６の構成材料の種類によって（例えばＳＵＳ３０４）、上軸５、下軸６の材料の強度が低下する温度以上に上軸５、下軸６の温度が上昇しないように制御することが必要となる。この場合、上軸５及び下軸６に温度測定のための不図示の熱電対を設置し、冷却経路１８、１９に僅かな冷却媒体を流すことにより、過度の温度上昇を抑制する。これらの冷却方法は以下の各実施の形態に対しても同様である。

冷却を開始した後、加熱されていた熱エネルギーは型１，２を伝わり、上軸５，下軸６内部の冷却経路１８，１９を循環する冷却媒体により系外へ移動する。このとき、上型１及び下型２と接触している光学ガラス素材２０の温度分布は、成形型の構造的特徴により外周部から熱が奪われ、中心部に対して外周部の温度が低下する。空間３，４に充填されている材料は、型１，２を加熱した時点でほぼ同じ温度に加熱されており、熱伝導率が低いので、中心部の温度を高く保つことができる。

成形型の冷却が開始され、軸５，６への熱伝導によって温度が低下していくが、空間３，４に充填された材料は、熱伝導率が成形型を構成する材料よりも小さいため、成形型の温度低下に対して遅れて温度低下する。これにより、成形型の外周部の温度に比較して、中心部の温度を高く保つことが可能となり、温度分布の幅を大きく設定することができる。なお、成形型内部の空間３，４の形状によっても、押圧された光学ガラス素材２０と接触する成形面の温度分布状態が変化するため、所望の光学素子形状に合わせて自由に空間３，４の形状を設定し、冷却速度を調整することにより、結果的に温度分布の温度幅、そして分布の形状も任意に設定することが可能となる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２の成形装置を示す。この実施の形態における実施の形態１との相違点は、上型１及び下型２内部の空間３，４に温度調整部材としての熱伝導シャフト１４，１５が挿入されて配置される点である。熱伝導シャフト１４，１５は、いずれも一方の側が上軸５、下軸６に接触し、他方の側が上型1、下型２に接触している。この場合、型１，２の中心部と接触するように熱伝導シャフト１４，１５が配置されるものである。

熱伝導シャフト１４，１５は上軸５、下軸６に挿入されて嵌合している。熱伝導シャフト１４，１５の材料としては、型１，２に用いられる材料に比較して、概ね同程度か、それよりも大きな熱伝導を有したものが好ましく、少なくとも７ｋｃａｌ／ｍｈ℃程度の熱伝導率を有していれば十分に効果を発揮することができる。材料としては、例えば、成形型１，２の材料が超硬合金の場合に対して、熱伝導シャフト１４，１５の材料が超硬合金より熱伝導率の低いアルミナというような組み合わせでなければ、特に支障はない。

また、実施の形態１においては、上型１及び下型２が上軸５、下軸６に直接接触した構造となっているが、この実施の形態においては、上型１及び下型２は上軸５，下軸６から僅かに浮いた状態でアタッチメント１６、１７により固定されているので、熱伝導シャフト１４，１５の長さがその分長くなっている。

この実施の形態では、実施の形態１と同様に、光学ガラス素材２０を上型１及び下型２の間に挟み、雰囲気加熱炉８、９を用いて上型１と下型２、光学ガラス素材２０を加熱する。上型１と下型２が所望の温度に達した時点で、両者を相対的に接近させて光学ガラス素材２０を押圧する。

このとき、熱伝導シャフト１４，１５が型１，２の内部に存在することにより、加熱中における型１，２の成形面の温度分布は、外周部に比べて中心部が低くなる。これは、上軸５，下軸６には加熱手段がなく温度が低いため、型１，２の成形面中心部の裏側にあたる部分に接触した熱伝導シャフト１４，１５により熱が軸方向へ奪われるためである。これにより、この実施の形態においては、加熱中に外周部より中心部の温度が低い温度分布の付与が可能となる。

押圧成形の後、冷却を行うために、上軸５、下軸６の冷却経路１８，１９に冷却媒体を流通させる。その結果、上軸５、下軸６の温度が急速に低下し、続いて熱伝導シャフト１４，１５が冷却され、その先端が接触している上型１、下型２の成形面裏側から温度が低下する。すなわち、実施の形態１とは逆に、外周部に比べて中心部の温度が低い分布を冷却中に実現することができる。

なお、冷却を開始した後も、雰囲気加熱炉８、９への通電を停止せずに所望の温度に制御することにより、上型１、下型２の外周部を温め、同時に冷却経路１８，１９を通じた冷却媒体の熱交換による冷却を併用することにより、さらに温度幅の広い分布を付与することが可能となる。

この実施の形態では、型１，２の底面と、上軸、下軸５，６は直接接触していないが、以上の効果を得るために一部たりとも接触させてはならないということではない。仮に、上型１、下型２の底面と、上軸５、下軸６の一部分が接触していたとしても、熱伝導シャフト１４，１５が伝達する熱容量を超える熱伝達が発生しない接触面積の場合には、上記の効果を得ることが可能である。従って、型１，２と軸５，６の接触面積を調整することにより、熱伝導シャフト１４，１５による温度分布の効力を調整することが可能である。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３を示す。この実施の形態では、実施の形態１における空間３、４に対し、その内部に熱伝導シャフト１４，１５が配置されていると共に、熱伝導シャフト１４，１５に加熱手段としての例えばカートリッジヒータ２２，２３が挿入されている。

カートリッジヒータ２２，２３を挿入した熱伝導シャフト１４，１５は実施の形態２と異なり、上型１、下型２の空間３，４に挿入されて型１，２における成形面の裏側に密着するばかりでなく、同時に型１，２の側面に対して僅かに嵌合した状態となっている。

また、この実施の形態では、熱伝導シャフト１４，１５と上軸５、下軸６との接触を、できる限り少なく設定している。これは、上軸５、下軸６との熱伝達を最小限に抑えるためである。このために、必要であれば断熱材等を熱伝導シャフト１４，１５と上軸５、下軸６との間に挿入しても良い。

この実施の形態では、まず、光学ガラス素材２０を不図示の手段により上型１と下型２との間に挟み、雰囲気加熱炉８、９により加熱を行う。このとき、カートリッジヒータ２２，２３も同時に使用して加熱を行う。このメリットとしては、型１，２の昇温に対する時間短縮と、外周部に比較して中心部の温度が高い温度分布を付与した状態での加熱が可能となる点にある。この場合、雰囲気加熱炉８、９のヒーター出力とカートリッジヒータ２２，２３の出力バランスとによって温度分布を変化させることが可能なため、カートリッジヒータ２２，２３を出力させることにより、型１，２の昇温時間を短縮しながら実施の形態１とは逆の温度分布である中心部の温度が外周よりも高い加熱状態とすることも可能である。

所望の温度に達した後、型１，２を相対的に接近させて光学ガラス素材２０を押圧する。このとき、雰囲気加熱炉８、９の設定温度に対して、熱伝導シャフト１４，１５内のカートリッジヒータ２２，２３の温度を高温に制御することにより、加熱中の成形面の温度分布は、外周部に比べて中心部が高くなる。

この後、冷却を開始するため、雰囲気加熱炉８、９の出力を下げる、あるいは停止し、上軸５、下軸６の冷却経路１８，１９に冷却媒体を流通させる。これにより、上軸５、下軸６の温度が急速に低下するが、熱伝導シャフト１４，１５は上軸５、下軸６との接触を極力少なく設定されており、熱伝導シャフト１４，１５が接触している型１，２の成形面の裏側及び僅かに接触した側面は上軸５、下軸６から直接冷却されることがない。さらに、熱伝導シャフト１４，１５内のカートリッジヒータ２２，２３を高温の状態に保つことにより、全体の系としては冷却を行いながらも型１，２の外周部に比較して中心部の温度を高く保った温度分布を付与し続けることが可能となる。

（実施の形態４）
図９は、実施の形態４の成形装置を示す。この実施の形態においては、型１，２が、内部で高精度に嵌合した摺動可能なスリーブ２１内に挿入されている。スリーブ２１は円筒状となっており、上型１に固定されている。尚、スリーブとは略円筒形状の部材を意味し、スリーブ２１は、略円筒形状の部材であれば何れのものでも良いが、ここでは円筒形状の部材とする。また加熱手段としては、光エネルギーを用いるものであり、具体的には赤外線ランプヒーター２８，２９が用いられている。光エネルギーを用いた加熱手段としては、短波長ランプヒーターあるいはレーザーを用いた加熱であっても良い。

この実施の形態では、石英管７が用いられており、石英管７による気密が確保された状態の空間内に型１，２および周辺の系が挿入されている。これにより、高温状態では不活性ガス、例えば窒素による非酸化性雰囲気にして成形を行うことができるため、高温で酸化される材料を用いても腐食の度合いを大幅に低減させることが可能となる。さらに、赤外線ランプヒーター２８，２９は石英管７の外側に配置され、赤外線ランプヒーター２８，２９の出力を制御するための温度センサーである熱電対１２，１３が近傍に設置されている。

この実施の形態において、型１，２の側面と、スリーブ２１の側面は全面で嵌合しておらず、一部が嵌合するようになっている。これは、成形完了後に冷却を開始した時点で、大きな熱容量を有するスリーブ２１が型１，２の側面の全面と嵌合していると、実施の形態１と比較して外周部の温度分布を低下させることが困難なためである。そして、このように構成することにより、上下型１，２の駆動精度、すなわち光学ガラス素子の偏心精度をスリーブ２１により高精度に保つことが容易な状態で、外周部に比較して中心部の温度が高い温度分布の制御が可能となる。

なお、スリーブ２１を構成する材料の熱伝導率が型１，２の材料の熱伝導率に比べて小さい場合は、熱伝導率に応じて嵌合部分の長さを調整するのが良い。

（実施の形態５）
図１０は、実施の形態５の成形装置を示す。この実施の形態は、図７に示す実施の形態２を基本としているが、実施の形態２に対し、スリーブ２１を用いる点と、赤外線ランプヒーター２８、２９を用い石英管７による気密密閉で成形を行う点が相違する。

また、型１，２の内部に熱伝導シャフト１４，１５が挿入されており、型１，２の成形面における外周部の温度より、内側の温度が高い設定が可能となっている点は実施の形態２と同様である。スリーブ２１と型１，２の側面は、可能な限り嵌合面積を増やした構造となっている。このため、光学ガラス素材全体としては熱エネルギーを放出、すなわち冷却される状態においても、スリーブ２１を赤外線ランプヒーター２８，２９によって加熱することにより分布温度幅の広い制御が可能となる。

（実施の形態６）
図１１は実施の形態６の成形装置を示す。この実施の形態では、図１０に示す実施の形態５に対し、熱伝導シャフト１４，１５の内部に、加熱手段としてのカートリッジヒータ２２，２３がそれぞれ挿入されているものである。カートリッジヒータ２２，２３を設けることにより、内部からの加熱が可能となり実施の形態５に比べてさらに分布温度幅の広い制御が可能となる。

（実施の形態７）
図１２は実施の形態７の成形装置を示す。この実施の形態は、図９に示す実施の形態４に対し、冷却時に不活性ガスＧとして充填或いは流されている気体、例えば、窒素ガスを利用して、型１，２の成形面と光学ガラス素材２０とが接触していない部分の型１，２と光学ガラス素材２０の冷却を行うものである。

また、円筒状のスリーブ２１には、複数の気体透過孔２１ａが厚さ方向に貫通しており、スリーブ２１の内外で気体の流通が可能な状態となっている。実施の形態１〜６では、型１，２の成形面の熱分布が光学ガラス素材２０に伝達して温度分布を行うが、この実施の形態では、さらに積極的に成形面と光学ガラス素材２０とが接触していない部分の型１，２と光学ガラス素材２０の温度を不活性ガスＧにより制御することにより、より自由度の高い温度分布を加熱或いは冷却中に付与することができる。

使用する気体は、必ずしも型１，２の成形面と光学ガラス素材２０とが接触していない部分の温度を制御するだけではなく、スリーブ２１の表面あるいは上型１、下型２の側面との間に熱交換を発生させることにより、光学ガラス素材２０の温度分布を制御するために活用することが可能となっている。

この実施の形態では、不活性ガスを使用しているが、酸化雰囲気中で使用可能な型であれば、必ずしも不活性ガスである必要はない。また、気体としては、変化させたい所望の部分に対して影響を与えることが可能な温度に冷却あるいは加熱した不図示の温度制御部に接触させることにより熱交換を行い必要な温度にすることができる。

（実施の形態８）
図１３は実施の形態８の成形装置を示す。この実施の形態では、図１１に示す実施の形態６に対し、スリーブ２１の構成が異なっている。すなわち、この実施の形態のスリーブ２１では、上型１に対応するスリーブ部分と、下型２に対応するスリーブ部分との間に、熱的な断熱境界２４が設けられている。実施の形態６において所望の温度分布あるいは分布の温度制御を行うためにランプヒーター２８及び２９を個別に制御しても、スリーブ２１の熱伝導により所望の温度変化を上型１と下型２に与えることができない場合、スリーブ２１に断熱境界２４を設けることにより可能となるものである。

スリーブ２１の断熱境界２４は、例えば厚みを薄くしたり、孔をあけて断面積を減らしたり、熱伝導率の低い材料を介して締結する等によって設けることができる。このように断熱境界２４を設けることにより、型１，２の間を連結する熱伝達部材としての効果を低くすることができる。

（実施の形態９）
図１４は実施の形態９の成形装置を示す。この実施の形態では、光学ガラス素子として、回転対称形状である両凹レンズを成形するものである。

成形型である上型１及び下型２は超硬合金により作製されており、それぞれの直径（φ）は３０ｍｍ、成形面１ａ、２ａの直径（φ）は２７ｍｍ、曲率半径（Ｒ）は２５ｍｍの凸面形状となっている。型１，２はそれぞれ上軸５、下軸６にアタッチメント１６，１７により固定されている。上軸５、下軸６内には冷却経路１８，１９が形成されており、成形前においては、気体（Ｎ_２）が充填されている。

型１，２は円筒状のスリーブ２１の内部に摺動可能な嵌合状態で挿入されており、嵌合クリアランスは直径差で５μｍとなっている。スリーブ２１の材質は多孔質のアルミナが使用されている。型１，２の中心部分には、円筒状の空間３，４がそれぞれ形成されている。上型１、下型２の内部には、熱電対１０，１１が挿入されており、円筒状の空間３、４内部には熱伝導シャフト１４，１５が配置されている。

熱伝導シャフト１４，１５は、図に示すように成形面１ａ、２ａの裏側と上下の軸５，６に接触面を有した形状となっている。熱伝導シャフト１４，１５の材料はステンレス（ＳＵＳ３０４）が使用されている。熱伝導シャフト１４，１５内部には、それぞれ出力６００Ｗの小型のカートリッジヒータ２２，２３が配置されている。また、スリーブ２１と型１，２の側面は、全面が接触しておらず、成形面１ａ、２ａから軸方向に向かって２０ｍｍの長さの非接触部分が設けられている。

上軸１及び下軸２の間には、不図示の手段により光学ガラス素子２０が挿入されており、上型１及び下型２により荷重３０Ｎで挟まれた状態となっている。光学ガラス素材２０は硝材Ｌ−ＬＡＨ５３であり、直径２５ｍｍ、厚み７ｍｍの円柱形状となっており、両端は平面の研磨面となっている。

型１，２及びスリーブ２１、軸５，６からなる系は、石英管７と不図示の上下方向の気密部材により密閉構造内に配置されるものである。また、石英管７の外側には合計出力が４０００Ｗの赤外線ランプヒーター２８，２９が設置され、この温度制御を行うための熱センサーである熱電対１２，１３が近傍に設置されている。

この実施の形態では、まず、密閉された空間内の空気を不活性ガス（窒素）により置換し、流量１０Ｌ／ｍｉｎの体積を継続して流しながらランプヒーター２８，２９による加熱を行う。これと同時に、カートリッジヒータ２２，２３による加熱を開始する。加熱においては、まずは熱電対１０，１１の測定温度が６００℃になるまで昇温する。

そして、６００℃に達した時点で、ランプヒーター２８，２９の合計出力Ｗ数と、カートリッジヒータ２２，２３の合計出力Ｗ数の比が１：１．２となるようにバランス調整し（ランプヒーター２８，２９の合計出力約１０００Ｗ、カートリッジヒータ２２，２３の出力（片側）約６００Ｗ）、熱電対１０，１１が６１０℃に達するまで加熱を継続する。熱電対１０，１１の温度が６１０℃に達した時点で、型１，２の成形面１ａ、２ａの面頂部分の温度は６１２℃、有効成形面の最外周部にあたる直径２７ｍｍの位置での表面温度は６０４℃となる。

以上の加熱の後、押圧を開始するため、不図示の駆動装置、例えばエアシリンダやサーボモータとボールネジの組み合わせにより、８０００Ｎの荷重で上型１と下型２とを相対的に接近させる。

このとき、押圧による変形を開始する直前の光学ガラス素材２０の温度は、実際には６０８℃であったが、押圧による流動と同時に型１，２の成形面１ａ、２ａの面頂部分から光学ガラス素材２０の内部に１ｍｍ向かう位置で６１０℃に温度が馴染み、３０秒後には押圧により成形面１ａ、２ａと光学ガラス素材２０とが接する範囲が直径２０ｍｍの位置まで拡大し、この位置における型１，２の成形面１ａ、２ａの温度は６０６℃となっていた。さらに５秒後に同位置での光学ガラス素材２０内部へ１ｍｍ向かった位置の温度は６０５℃に達する。ここでランプヒーター２８，２９の合計出力を７００Ｗに低下させ、さらに押圧を続ける。

約１００秒後には押圧が完了する位置である成形面１ａ、２ａの間隔が１ｍｍとなる位置まで型１，２が相対的に移動し、型１，２の成形面１ａ、２ａの最外周部である直径２７ｍｍの位置に光学ガラス素材２０が到達する。このとき、光学ガラス素材２０の最外周部における成形面から１ｍｍ内部に向かう位置での温度は６０２℃であり、光学ガラス素材２０が広がる速度が低下して熱交換が十分に行われるため、型１，２の有効成形面の最外周表面温度と同一となっている。

続いて、冷却工程に入る。まず、冷却経路１８，１９に対し、圧力５０Ｎ／ｃｍ^２の４０℃の純水を２Ｌ／ｍｉｎの流量で循環を開始する。その直後からランプヒーター２８，２９は合計２０Ｗ／ｓｅｃで出力を低下させ、カートリッジヒータ２２，２３は合計２Ｗ／ｓｅｃで出力を下げる。冷却を開始してから１５秒後に型１，２の成形面１ａ、２ａの面頂温度は６００℃となり、光学ガラス素材２０の最外周部は５７０℃に低下する。このとき、まだ光学面の面頂温度は流動可能な温度であるが、最外周部はすでに流動が困難な粘度領域に達している。

この後、窒素ガスの流量を３０Ｌ／ｍｉｎに増加して冷却を継続する。そして、３０秒後には、加圧圧力に対して光学ガラス素材２０内部の全域において流動が可能な範囲が消失し、光学ガラス素子としての形状が決定される。光学面における面頂の表面温度は約５６０℃である。

この温度条件設定によれば、上型１、下型２の成形面１ａ、２ａに対して、成形されたガラスが張り付くような変形を起こすことはなく、同時に光学ガラス素材２０の最外周部の収縮量の多さに起因した成形面からの剥離を起こすこともなく成形が完了する。なお、窒素の流量を３０Ｌ／ｍｉｎに変更したタイミングで冷却経路１８，１９の流量を変化させても、型１，２中心部の温度を同様に制御することは可能であるが、この実施の形態では、外周部へ向かう温度分布のバランスを得るため、上記条件による温度分布条件を設定している。

この後、ランプヒーター２８，２９及びカートリッジヒータ２２，２３の出力を０にして冷却経路１８，１９への純水の循環量を１０Ｌ／ｍｉｎに増加させる。この状態を、型１，２を含む密閉された空間を大気雰囲気中に暴露しても酸化の影響が問題となりにくい２００℃まで継続する。そして、上型１、下型２を相対的に離反させ、不図示の手段によって成形が完了した光学ガラス素子を取り出し、成形を終了する。

なお、この実施の形態は、温度分布付与手段の一例を示したものであり、さらに様々な温度分布の制御を積極的に行うことが可能である。また、この実施の形態では、説明を簡略化するため、上型１と下型２の温度分布状態を同一としているが、これらの条件を変更して所望の収縮状態を行ったり、故意に部分的な転写精度を低下させたり、あるいは向上させたりすることも可能である。

（実施の形態１０）
実施の形態１０では、光学ガラス素子として、回転対称形状である両凸レンズを成形するものである。図１５はこの実施例に用いる成形装置を示し、図１４の成形装置とは大きな相違はなく、成形型である上型１及び下型２の光学ガラス素材２０と接触する成形面１ａ、２ａが直径（φ）２７ｍｍ、曲率半径（Ｒ）３０ｍｍの凹面形状となっている。型１，２に挿入されている熱伝導シャフト１４，１５と、上軸５、下軸６との間に、厚さ１ｍｍ、ＳＵＳ３０４製のスペーサー３１，３２が挿入されており、これにより上型１、下型２は上軸５、下軸６と直接には接触していない。上型１及び下型２は熱伝導シャフト１４，１５によって連結された状態でアタッチメント１６、１７により上軸５，下軸６に固定されている。スリーブ２１は超硬合金により作製されており、型１，２の側面が全てスリーブ２１に嵌合している。

上軸１と下軸２との間に挟まれた光学ガラス素材２０は、商品名「ＶＣ８１（住田光学製）」の硝材であり、直径２３．２ｍｍ、中心肉厚８ｍｍ、上下面の曲率半径（Ｒ）が２５ｍｍの研磨面で両凸形状となっている。

この実施の形態では、まず、密閉された空間内を窒素ガスにより置換し、流量５Ｌ／ｍｉｎの体積を継続して流しながらランプヒーター２８，２９による加熱を開始する。同時に。カートリッジヒータ２２，２３による加熱を開始し、熱電対１０，１１の測定温度が５４０℃になるまで昇温する。

５４７℃に達した時点で、ランプヒーター２８，２９の合計出力Ｗ数と、カートリッジヒータ２２，２３の合計出力Ｗ数の比が６：１になるようにバランス調整し（ランプヒーター２８，２９の合計出力約１２００Ｗ、カートリッジヒータ２２，２３の出力（片側）約１００Ｗ）、熱電対１０，１１が５４８℃に達するまで加熱を継続する。熱電対１０，１１の測定温度が５４８℃に達した時点で、型１，２の成形面１ａ、２ａの面頂部分の温度は５４９℃、有効成形面の最外周部にあたる直径２７ｍｍの位置では、その表面温度が５５４℃になっている。

加熱の後、押圧を開始し、６０００Ｎの荷重によって上型１と下型２とを相対的に接近させる。このとき、変形を開始する直前の光学ガラス素材２０の温度は、実際には５４７℃であったが、押圧による流動と同時に型１，２の成形面１ａ、２ａの面頂部分から光学ガラス素材２０の内部に１ｍｍ向かった位置でほぼ成形面１ａ、２ａと同様の５４９℃に温度が馴染んでいた。

さらに押圧を続けることにより、３０秒後に成形面１ａ、２ａと光学ガラス素材２０とが接する範囲が直径２０ｍｍの位置まで拡大し、この位置における光学面１ａ、２ａの温度は５５０℃となっている。さらに５秒後に同位置での光学ガラス素材２０の内部へ１ｍｍ向かった位置の温度は５４９℃に達する。ここでランプヒーター２８，２９の合計出力Ｗ数：カートリッジヒータ２２，２３の合計出力Ｗ数の比が２０：１になるように調整し、さらに押圧を続ける。約３０秒後には、押圧が完了する位置まで型１，２が相対的に移動し、型１，２の成形面１ａ、２ａの最外周部である直径２７ｍｍの位置に光学ガラス素材２０が到達する。このとき、光学ガラス素材２０の中心温度は５４７℃に低下し、最外周部における成形面から０．２ｍｍ内部に向かう位置での温度は５５５℃で、ガラスが広がる速度とガラスが広がる抵抗に対して十分に粘度が低い状態に光学ガラス素子が加熱されて流動が可能な状態である。

続いて、冷却工程に入る。まず、冷却経路１８，１９に圧力４０Ｎ／ｃｍ^２の２０℃の純水を６Ｌ／ｍｉｎの流量で循環させる。その直後からランプヒーター２８，２９は１０Ｗ／ｓｅｃで出力を低下させ、カートリッジヒータ２２，２３は通電を停止する。

冷却を開始してから１０秒で型１，２の成形面１ａ、２ａの面頂温度は５３０℃まで低下し、光学面の最外周部は５５０℃に低下する。このとき、まだ光学面の外周部は流動可能な温度であるが、中央付近はすでに流動が困難な粘度領域に達している。さらに３０秒後には、加圧圧力に対して光学ガラス素材の内部の全域において流動が可能な範囲が消失し、光学ガラス素子の形状が決定される。光学面の最外周部の表面温度は約５２０℃である。

この温度分布条件によれば、従来は直径２５ｍｍ以上で１ｍｍ以下の最外周部厚さ（コバ厚）を有するレンズを成形することが難しかったが、積極的な温度分布の付与により、全く問題なく成形が可能となった。また、中心部の面精度は、収縮により成形面の転写が安定しなかったが、この問題も解決することが可能となった。

この後、ランプヒーター２８，２９及びカートリッジヒータ２２，２３の出力を０にして冷却経路１８，１９への純水の循環量を１０Ｌ／ｍｉｎに増加させ、型１，２を含む密閉された空間を大気雰囲気中に暴露しても酸化の影響が問題となりにくい２００℃まで冷却する。そして、上型１、下型２を相対的に離反させ、不図示の手段によって成形が完了した光学ガラス素材を取り出す。

なお、この実施の形態においても、温度分布付与手段の一例を示したものであり、他の様々な温度分布の制御を積極的に行うことが可能である。

本発明による成形方法を示す断面図である。 成形時におけるベクトルの変化を示す断面図である。 温度分布を付与した状態での成形時におけるベクトルを示す断面図である。 従来の成形の問題点を示す断面図である。 本発明の成形条件による成形を示す断面図である。 本発明の実施の形態１の成形装置の断面図である。 実施の形態２の成形装置の断面図である。 実施の形態３の成形装置の断面図である。 実施の形態４の成形装置の断面図である。 実施の形態５の成形装置の断面図である。 実施の形態６の成形装置の断面図である。 実施の形態７の成形装置の断面図である。 実施の形態８の成形装置の断面図である。 実施の形態９の成形装置の断面図である。 実施の形態１０の成形装置の断面図である。

符号の説明

１ 上型
２ 下型
３，４ 空間
５ 上軸
６ 下軸
８，９ 雰囲気加熱炉
１４，１５ 熱伝導シャフト
１８，１９ 冷却経路
２０ 光学ガラス素材
２１ スリーブ
２２，２３ カートリッジヒータ
２８，２９ 赤外線ランプヒーター

Claims (3)

1. 相対する一対の上型と下型とからなる成形型の間に光学ガラス素材を配置し、前記成形型を加熱するとともに前記光学ガラス素材を流動可能な状態まで加熱し、前記成形型を相対的に接近させることにより押圧成形を行い、冷却後に前記成形型と前記光学ガラス素材とを離反させて光学ガラス素材を取り出す光学ガラスの成形装置において、
   前記成形型に対する温度分布を付与する温度分布付与手段と、
   前記成形型が内部に配置され、前記上型と下型とに対応した断熱境界を有する略円筒形状の部材であるスリーブと、
   前記スリーブの外側から前記成形型を加熱する前記上型と下型とに対応する２つ以上の光エネルギー加熱手段と、
   を有することを特徴とする光学ガラス素子の成形装置。
2. 前記温度分布付与手段は、前記上型と下型の少なくとも一方の内部に形成した空間に、前記成形型の材料とは異なる熱伝導率を有した材料からなる温度調整部材を配置したものであることを特徴とする請求項１記載の光学ガラス素子の成形装置。
3. 前記温度調整部材は、前記成形型と該成形型が固定される軸部材とに接触していることを特徴とする請求項２記載の光学ガラス素子の成形装置。

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