JP4508804B2 - 光学素子の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、加熱軟化された成形用ガラス素材を一対の成形型によってプレスすることにより、非球面レンズなどの高精度な光学素子を加工するための光学素子の成形方法に関するものである。

従来から加熱軟化したガラスをプレス成形して光学素子を得る方法が知られているが、その際にレンズの両面だけでなく外径側面も同時に成形して、成形後の芯取り工程を省略したガラス光学素子を得る方法も行われている。

この時、成形された光学素子の上型および下型の各成形面と外径側面とで成す稜線（以下、外周稜線と称す）が、バリや過度のダレの原因となったり、肉厚精度が確保できないといった不具合となったりする場合がある。

このような問題を解決するために特許文献１ではガラス素材の成形時に、まず上型で成形途中まで変形させスペーサで移動を規制すると共に上型および下型の各成形面と外径側面とでキャビティを形成し、次いで下型で更にガラス素材の変形を行う成形方法が記載されている。

また、鏡筒への組み込みに際して光学素子の軸ズレや軸倒れを生じさせないために外周稜線の形状が安定していることが望ましい。
特開２００２−２４９３２７号公報

しかしながら特許文献１に記載の方法では駆動軸を上型および下型それぞれに備えなければならず装置の大型化やコストアップにつながっていた。

また、レンズの両面だけでなく外径側面も同時に成形して、成形後の芯取り工程を省略したガラス光学素子を得る方法ではないが、特開２０００−３０２４６０号公報では以下の方法が記載されている。すなわち、成形温度で変形可能な低い圧力で上型、下型およびガラス素材を当接させながら加熱し、成形温度に到達後高い成形圧力で成形し、その変形速度を検出しながらガラス素材の粘性と成形圧力が均衡する状態で所定の時間以上経過したことを確認後、保持圧力に切り替えて転移点温度以下に冷却して光学素子を取り出すものである。しかしながら、加熱中から上型および下型とガラス素材が接触しているため高温下でのガラスと成形型との反応など表面の劣化が起こり、耐久性に問題が生ずる。またレンズの両面だけでなく外径側面も同時に成形する方法に適用すると、一定の成形圧力による成形では成形時間を短くするために、高く設定した圧力では、ガラス重量が重い場合は外周稜線にバリが生じやすく、バリの発生を避けるために成形圧力を低く設定すると成形時間が長くなってしまう。また同公報では成形工程でガラス素材の特性によっては変形速度に応じて成形圧力を漸増や漸減して加工精度や加工時間を短縮させる方法も記載されている。しかし、この方法をレンズの両面だけでなく外径側面も同時に成形する方法に適用すると圧力の増減が成形中にあるため、ガラス素材がキャビティ内において変形に伴って充填されて増加する反力が変化し、その釣り合いを保つ条件が困難になっていくか、またはそのための条件設定が困難になる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、レンズの両面だけでなく外径側面も同時に成形して、成形後の芯取り工程を省略したガラス光学素子を、装置が大型や高価となることなく容易にその外周稜線が、バリや過度のダレとならず安定した形状であり、さらに肉厚精度が確保できる方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明に従って一対の成形型を構成する上型と下型の各成形面および胴型の表面で形成される密閉空間で、加熱軟化したガラス素材を成形する光学素子の成形方法において、一次成形圧力で押圧成形開始後プレス軸速度を検知し、該プレス軸速度が設定したプレス軸速度以下になってから設定した一次成形保持時間を経過した時点でその一次成形圧力を二次成形圧力に切り替え、該二次成形圧力で予め設定された二次成形保持時間の経過まで押圧を行ったのち冷却を行い、成形を終了させた後、光学素子を取り出すことを特徴とする光学素子の成形方法が提供される。

これにより、ガラス素材がキャビティ内に充填され少しの変形を残した状態となったことを、充填にともなって増加する反力と一次成形圧力とのバランスの変化による軸速度変化により検知し、さらに冷却前の目標形状まで二次成形圧力で成形するため、ガラス重量によらず外周稜線の形状を安定と肉厚精度の安定を両立させることができる。

また前記発明の成形方法において、前記設定したプレス軸速度は、成形温度条件下で前記一次成形圧力によってガラス素材が光学素子設計肉厚の１１０％以下に変形した時点の速度であることを特徴とする光学素子の成形方法が提供される。

あらかじめ少しの変形を残した状態での速度を適正に求めておくことで、成形時間をいたずらに長くすることなく一次成形圧力条件を設定することができる。

また前記発明の成形方法において、前記前記二次成形保持時間の経過におけるガラス素材の目標形状は、前記上型および下型の各成形面と前記胴型の表面とで成す外周稜線と直交断面との交線の曲率半径が１ｍｍ以下の形状で、肉厚が光学素子設計肉厚以上から１００μｍ厚い形状以下の範囲であることを特徴とする光学素子の成形方法が提供される。

これにより、冷却によるガラスの収縮によるヒケを防止するための冷却中の圧力による変形を考慮し、設計形状の公差範囲となる成形が可能となる。

また前記発明の成形方法において、前記二次成形圧力は、二次成形保持時間の経過時における前記プレス軸速度が５μｍ／秒以下となる圧力をあらかじめ設定したものであることを特徴とする光学素子の成形方法が提供される。

これにより、適正な成形時間の中で外周稜線がバリになったり過度のダレとなったりしない成形が可能となる。

前述のような本発明のガラス光学素子の成形方法によれば、成形圧力と成形時のキャビティへのガラス素材充填に伴う反力とのバランスを利用して、最終的に目標とする充填形状で釣り合う圧力に切り替えて成形することで外周稜線形状と肉厚を安定させることができるために、ガラス素材重量の厳密な選別なども必要なく低コストで安定して生産できる。

以下、実施例に基づいて本発明のガラス光学素子の成形装置及び成形方法について説明する。

図１は実施例１の成形方法における成形型の側断面図であり、成形終了時点を表している。上型１の成形面は球面凸形状、下型２の成形面は球面凹形状をなしており、その球面Ｒの値は下型の方が小さくメニス形状の光学素子を成形するようになっている。胴型３には上下に連通するように貫通穴が形成されており上型および下型が収納されている。また、光学素子の側面形成部３ａが下型を収納する穴と連続して形成されており、さらに上型先端径は側面形成部の径より直径で３０μｍ細く側面形成部まで挿入されることでキャビティを形成している。

まず一次成形圧力から二次成形圧力への切り替えのための変形速度および二次成形圧力の設定方法について説明する。はじめに上型と連結されたプレス軸（図示せず）によって上型を上昇し、下型の中心にガラス素材４を供給する（図２）。次に胴型に収納されたヒーター（図示せず）によって上型、下型、胴型およびガラス素材を成形可能な温度まで加熱し、プレス軸によって上型を下降し押圧成形を行う。この過程で、図３のようにガラス素材は胴型、上型及び下型で形成されるキャビティ内にて変形、充填され、上型及び下型の光学面と胴型の内径側面が一部転写され、肉厚が光学素子設計肉厚の１１０％の状態となる。

この時の圧力（一次成形圧力）は１０秒程度でガラス素材を光学素子設計肉厚まで成形できる圧力とし、あらかじめその圧力で成形を行いプレス軸の位置情報などからプレス軸速度を求めておく。図５はその軸位置グラフを模式的に表したものであり、光学素子設計肉厚となる位置をｔ０、光学素子設計肉厚の１１０％となる位置をｔ１としている。本実施例では肉厚が光学素子設計肉厚の１１０％の状態となる時（プレス軸位置がｔ１）の速度はグラフの傾きから３０μｍ／秒であった。次に肉厚が光学素子設計肉厚の１１０％の状態から成形圧力を切り替えて、外周稜線と直交断面との交線の曲率半径が１ｍｍ相当以下の形状で、光学素子設計肉厚より１００μｍ厚い状態（冷却前の目標形状）まで成形する。図４は冷却前の目標形状の外周稜線付近の拡大側断面図である。ガラス素材は変形し肉厚は光学素子設計肉厚より１００μｍ厚く、外周稜線と直交断面との交線のＲａ、Ｒｂはそれぞれ曲率半径が１ｍｍにほぼ等しくなっている。ここで二次成形圧力を変化させ、冷却前の目標形状となった時のプレス軸速度を図５のようなグラフを作成して求め、表１のようにまとめる。この表から５μｍ／秒となる圧力を一次成形圧力の７０％と求める。なお成形圧力を切り替える形状や冷却前の目標形状は成形サイクルや成形型の耐久などが適正な範囲で達成されるように調整することも可能である。

次に前述のように求めた設定値を用いての成形方法について説明する。設定値を求めるための方法と同様に、まず上型と連結されたプレス軸によって上型を上昇し、下型の中心にガラス素材を供給する（図２）。次に胴型に収納されたヒーターによって上型、下型、胴型およびガラス素材を成形可能な温度まで加熱し、プレス軸によって上型を下降し一次成形圧力で押圧成形を行う。この時、プレス軸速度を監視しておき、プレス軸速度が３０μｍ／秒となってから２秒後に一次成形圧力の７０％である二次成形圧力に切り替える。プレス軸速度が設定した値に達してから２秒間待つことでガラス素材重量ばらつきなどがあっても確実に肉厚が光学素子設計肉厚の１１０％の状態までの成形がなされる。その後１５秒間保持し冷却前の目標形状まで成形され、さらに圧力を保ったまま転移点まで成形型及び成形された光学素子５を冷却する（図１参照）。そしてプレス軸によって上型を上昇させ、下型の上の光学素子を取り出し、次のガラス素材を供給し連続的に成形を行う（図６プロセス線図参照）。

図７は実施例２の成形方法における成形型の側断面図であり、成形終了時点を表している。上型６の成形面は球面凹形状、下型７の成形面は球面凹形状をなしており、両面凸形状の光学素子を成形するようになっている。胴型８には上下に連通するように貫通穴が形成されており上型および下型が収納されている。また、光学素子の側面形成部８ａが下型を収納する穴と連続して形成されており、さらに上型先端径は側面形成部の径より直径で５０μｍ細く側面形成部まで挿入されることでキャビティを形成している。

まず一次成形圧力から二次成形圧力への切り替えのための変形速度および二次成形圧力の設定方法について説明する。はじめに上型と連結されたプレス軸（図示せず）によって上型を上昇し、下型の中心にガラス素材９を供給する（図８）。次に胴型に収納されたヒーター（図示せず）によって上型、下型、胴型およびガラス素材を成形可能な温度まで加熱し、プレス軸によって上型を下降し押圧成形を行う。この過程で、図８のようにガラス素材は胴型、上型及び下型で形成されるキャビティ内にて変形、充填され、上型及び下型の光学面と胴型の内径側面が一部転写され、肉厚が光学素子設計肉厚の１０３％の状態となる。

この時の圧力（一次成形圧力）は１０秒間程度でガラス素材を光学素子設計肉厚まで成形できる圧力とし、あらかじめその圧力で成形を行いプレス軸の位置情報などからプレス軸速度を求めておく。実施例１と同様にプレス軸速度を求め、本実施例では肉厚が光学素子設計肉厚の１０３％の状態となる時の速度は２０μｍ／秒であった。次に肉厚が光学素子設計肉厚の１０３％の状態から成形圧力を切り替えて、外周稜線と直交断面との交線の曲率半径が０．４ｍｍ相当以下の形状で、光学素子設計肉厚より６０μｍ厚い状態まで成形するのであるが、この二次成形圧力を表２のように変化させ、プレス軸速度が３μｍ／秒となる圧力を一次成形圧力の５０％と求める。なお成形圧力を切り替える形状や冷却前の目標形状は実施例１と同様に成形サイクルや成形型の耐久などが適正な範囲で達成されるように調整することも可能である。

次に前述のように求めた設定値を用いての成形方法について説明する。設定値を求めるための方法と同様に、まず上型と連結されたプレス軸によって上型を上昇し、下型の中心にガラス素材を供給する（図８）。次に胴型に収納されたヒーターによって上型、下型、胴型およびガラス素材を成形可能な温度まで加熱し、プレス軸によって上型を下降し一次成形圧力で押圧成形を行う。この時、プレス軸速度を監視しておき、プレス軸速度が２０μｍ／秒となってから５秒後に一次成形圧力の５０％である二次成形圧力に切り替え、２０秒保持後圧力を実質ガラス素材の変形が起きない低い圧力へ下げると同時に成形型及びガラス素材の冷却を開始する。成形型の温度がプレス成形温度より１５℃下がった時点からガラスの冷却によるヒケを防止するため再び二次成形圧力で押圧し、転移点まで冷却する（図９参照）。そしてプレス軸によって上型を上昇させ、下型の上の光学素子を取り出し、次のガラス素材を供給し連続的に成形を行う（図１０プロセス線図参照）。

本発明は上記の効果を伴うものであり、非球面レンズなどの高精度な光学素子を加工するための光学素子の成形方法において利用が期待できる。

実施例１の成形後の成形型側断面図である。 実施例１の成形前の成形型側断面図である。 実施例１の成形途中の成形型側断面図である。 実施例１の冷却前の光学素子外周付近の拡大側断面図である。 一次成形プレス軸変位グラフである。 実施例１の成形プロセス線図である。 実施例２の成形後の成形型側断面図である。 実施例２の成形前の成形型側断面図である。 実施例２の成形途中の成形型側断面図である。 実施例２の成形プロセス線図である。

符号の説明

１、６ 上型
２、７ 下型
３、８ 胴型
４、９ ガラス素材
５、１０ 光学素子
３ａ 側面形成部
８ａ 側面形成部
Ｒａ 外周稜線と直交断面との交線
Ｒｂ 外周稜線と直交断面との交線

Claims (4)

1. 一対の成形型を構成する上型と下型の各成形面および胴型の表面で形成される密閉空間で、加熱軟化したガラス素材を成形する光学素子の成形方法において、一次成形圧力で押圧成形開始後プレス軸速度を検知し、該プレス軸速度が設定したプレス軸速度以下になってから設定した一次成形保持時間を経過した時点でその一次成形圧力を二次成形圧力に切り替え、該二次成形圧力で予め設定された二次成形保持時間の経過まで押圧を行ったのち冷却を行い、成形を終了させた後、光学素子を取り出すことを特徴とする光学素子の成形方法。
2. 前記設定したプレス軸速度は、成形温度条件下で前記一次成形圧力によってガラス素材が光学素子設計肉厚の１１０％以下に変形した時点の速度であ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。
3. 前記二次成形保持時間の経過時におけるガラス素材の形状は、前記上型および下型の各成形面と前記胴型の表面とで成す外周稜線と直交断面との交線の曲率半径が１ｍｍ以下の形状で、肉厚が光学素子設計肉厚以上から１００μｍ厚い形状以下の範囲であることを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれかに記載の光学素子の成形方法。
4. 前記二次成形圧力は、前記二次成形保持時間の経過時におけるプレス軸速度が５μｍ／秒以下となる圧力をあらかじめ設定したものであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光学素子の成形方法。