JP4564216B2

JP4564216B2 - 光学素子成形方法

Info

Publication number: JP4564216B2
Application number: JP2001302044A
Authority: JP
Inventors: 英司川村; 茂也菅田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003104734A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス素材および成形型を加熱して押圧成形することにより、光学素子を得る光学素子成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高精度な画質が要求される光学製品のニーズが高まるとともに、レンズ単体の精度も高品質なものが要求されており、これらを実現するために高温の転移点温度を有するガラスが増加しているが、転移点温度が高温になると、成形型の耐久性が極端に短くなる。その対応策として、特開平５−３３９０１８号公報に開示された「光学素子成形用型」では、炭素系の膜を成形型の表面に形成して成形型の耐久性を向上させている。また、ガラス素材においても、特開２０００−１１９０３６号公報に開示された「モールドプレス用光学ガラス」では、低い転移点温度を有し、成形を容易にしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記従来技術を適用して成形を行っても、成形型の耐久性は充分ではないのが実情であり、成形による成形型の劣化は見過ごせない状況にある。
【０００４】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、請求項１または２に係る発明の課題は、成形に際して、成形型の耐久性を向上させることができる光学素子成形方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、一対の成形型と同時または個別に加熱軟化させ、変形可能にしたガラス素材を前記一対の成形型で押圧して光学素子を得る光学素子成形方法において、前記ガラス素材を設定温度に加熱中に、該ガラス素材の転移点温度以上になった後に押圧力を作用させ、前記成形型と同等以上の熱容量を有する型保持部材が互いに当接するまで昇温と増圧とを行いながら成形する。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の光学素子成形方法において、前記型保持部材が互いに当接したときのガラス素材の温度が１０ ^７ポアズ相当の温度以下であることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に係る発明の光学素子成形方法では、押圧成形するガラス素材を加熱し、転移点温度以上になった後、弱い荷重を印加して押圧を開始する。ガラス素材が変形し始め、成形型との接触面積が増加して加熱効率が向上し、変形が容易になる。さらに、成形型と同等以上の熱容量を有する型保持部材が互いに当接するまで昇温と増圧とを連続して行うことにより、ガラス素材が転移点温度以上に保たれる時間を短くするとともに、型保持部材が互いに当接した後は、成形型同士の熱の移動が可能となり、平衡状態を保ち、当接直後から冷却中においても成形型同士ひいてはガラス素材の均温化が図られる。
【０００９】
請求項２に係る発明の光学素子成形方法では、請求項１に係る発明の作用に加え、型保持部材が互いに当接したときのガラス素材の温度が１０^７ポアズ相当の温度以下であることにより、この温度まで上昇した後はこの温度を保持したままさらに押圧を続ける。
【００１０】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の光学素子成形方法の概要について説明する。本発明の光学素子成形方法は、押圧成形工程において、成形型およびガラス素材が高温に保持される時間をできる限り短くしながら、高精度の光学素子を得る。ガラスは、転移温度領域以上になると酸化還元作用を起こし、酸化性のガスが発生してガラス素材の光学特性を劣化させたり、成形型との接触面で型材を酸化させて成形型を劣化させたりすることが明らかとなっている。従って、酸化還元作用を起こすガラス転移点以上の温度にガラス素材が保持される時間をできる限り短縮することが望ましい。ガラスは、転移温度領域以上で変形が可能となるが、変形するといっても転移点付近では僅かな変形しか得られず、押圧力が強すぎるとガラスを破壊してしまうこともある。しかし、ガラス素材が変形することによってガラス素材と成形型との接触面積が増加し、熱伝導により加熱されるガラス素材の加熱効率が向上するようになる。
【００１１】
従って、本発明では、ガラス素材が転移点温度領域まで加熱されたときに、ガラス素材を破壊しない範囲の弱い荷重を印加して押圧を開始する。このようにして、ガラス素材を変形させ、その後、ガラス素材が変形するとともに加熱効率を向上させながら押圧荷重増と昇温とを平行して行う。成形型同士のそれぞれの保持部材が互いに当接する時点まで押圧は継続するが、昇温は型保持部材同士が当接した時点もしくは予め設定した温度に達した時点で停止する。このようにして、押圧工程を終えて冷却を開始する。
【００１２】
ガラス素材の変形は、所望の肉厚付近になると抵抗が大きくなり、押圧時間を必要とするが、このような成形を行うことにより、最も抵抗が大きいときにガラス素材の温度が最も高くなって粘度が低くなり、最も変形がし易い状態となる。
こうして高温状態での時間が短時間で成形が完了できるようになる。さらに、成形型同士のそれぞれの保持部材を互いに当接させることにより、成形型同士の熱の移動が可能となり、平衡状態を保とうとするので、当接直後から冷却中においても成形型同士、ひいてはガラス素材の均温化が図られ、転写精度の良好な光学素子が得られる。
【００１３】
以下、具体的な実施の形態について説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は光学素子成形方法に用いる成形装置の断面図、図２は成形型温度と荷重との時間的推移を示す図表である。
【００１５】
まず、光学素子成形方法に用いる成形装置について説明する。図１において、成形装置は、加熱炉１０に囲まれる成形室１内に上軸６と下軸７とが配設され、上軸６には、上型２を固定する型保持部材としての上型固定具４が、また下軸７には下型３を固定する型保持部材としての下型固定具５が、それぞれ同軸上に配設されている。一対の成形型としての上型２と下型３との周囲には、それぞれに対応するようにして上ヒータ８と下ヒータ９とが設置されて加熱炉１０を構成しており、上型２と下型３とをそれぞれ個別に加熱できるようになっている。
【００１６】
上型２と下型３との温度は、上センサ１１と下センサ１２とで検知し、これによって上ヒータ８と下ヒータ９との温度制御を行っている。加熱炉１０は図示しないエアスライドシリンダで上下動できるようになっており、上昇時は、ガラス素材１３を、図示しない搬送アームにより下型３上に搬送し載置できるようになっている。また、この搬送アームにより成形された光学素子の取り出しも可能である。ガラス素材１３の押圧は、図示しないサーボモータに駆動される下型３が上昇することにより行われ、押圧荷重はガラス粘度に応じて印加されるが、ガラス粘度を測定しながら荷重を調整するのは実際的ではないので、予め上センサ１１、下センサ１２の指示温度とガラス粘度との関係を測定しておき、指示温度に対して印加荷重を決める。
【００１７】
成形中の成形室１内は、窒素などの不活性ガスにより充満されて酸素濃度は５０ｐｐｍ以下に保たれている。成形終了後の冷却機構としては、上軸６、下軸７の中心より不活性ガスが吐出されて、高温状態の部材を冷却する。上型固定具４、下型固定具５は、それぞれ上型２、下型３より大きな熱容量を有するとともに、冷却および成形室充満時の窒素流路用の冷却溝１４を有している。
【００１８】
つぎに、図１および図２を参照して、上記成形装置を用いた光学素子の成形方法を説明する。具体的には、ガラス素材１３として、Ｌａ系ガラスを用い、凹レンズを成形する場合を例とする。成形する凹レンズの形状は、直径１８ｍｍ、中肉厚１．６ｍｍ、中心曲率半径約２０ｍｍの非球面凹面と、曲率半径１５０ｍｍの凹球面で構成された片面非球面凹レンズである。成形型である上型２および下型３は貴金属系の膜をコートした超硬合金基材のもので行った。
【００１９】
ガラス素材１３は、重量調整されたファインゴブを用い、加熱炉１０が上昇している間に図示しない搬送アームにより吸着搬送して、下型３上に載置する。次に、加熱炉１０が下降して成形室１を密閉した後、窒素ガスを吐出して酸素濃度を５０ｐｐｍ以下とする。続いて、加熱炉１０により、ガラス素材１３の加熱を開始する（図２のＡ点）。加熱の最終目標温度である設定温度は、粘度にして１０^７ポアズ（ｐｏｉｓｅ、粘度の単位、１ｐｏｉｓｅ＝１ｄＰａ・ｓ）程度のガラス素材の軟化点付近の温度とし、この温度まで上昇した後はこの温度を保持したままさらに押圧を続けるように設定した。
【００２０】
ガラス素材が加熱されて、粘度が１０^１３．３ポアズ相当に昇温したところで、下型３を図示しないサーボモータで上昇させて押圧する（図２のＢ点）。このときの押圧荷重は、ガラス素材１３に破損が生じないように初期荷重として６０×９．８Ｎを印加し、低荷重での成形とする。
【００２１】
その後、押圧荷重を５×９．８Ｎ／秒で増加させながら、設定温度に向けて継続して加熱し、ガラス素材１３と上型２および下型３を昇温させる（図２のＣ区間）。こうしてガラスが昇温途中で既に変形可能になっている状態を効率よく利用することができる。すなわち、ガラス素材１３は主に、上型２および下型３からの熱伝導、高温雰囲気による熱伝達で加熱されるため、押圧により上型２および下型３との接触面積が増えて加熱効率が向上し、ガラス素材１３の温度が上昇して粘度が低くなるため変形速度は徐々に速くなり、短時間でガラス素材１３を変形させることができる。なお、増圧については、ステップ式の増加や、増加速度を途中で変化させることでも、同様の効果が得られるものである。
【００２２】
押圧は、下型固定具５、上型固定具４の当接を下軸７の移動が停止したことにより検知して終了する（図２のＤ点）。この時点では、設定温度まで上昇していないが、加熱もこの時点で終了し、ヒータへの通電を停止する。このときのガラス粘度は１０^８ポアズ相当である。なお、上型固定具４および下型固定具５が当接する前に予め設定した温度に達した場合は、その設定温度を保持して、下軸７の上昇は下型固定具５が上型固定具４に当接するまで継続される。
【００２３】
上型固定具４および下型固定具５の当接後も接触は維持されるので、相互の熱伝導により上型２と下型３とが均温化され、例えば上型２と下型３とで温度差が生じている場合でも、押圧後にはガラス素材１５の温度むらがなくなり、均温化するようになる。そのため、設定温度まで上昇していない段階で押圧を終了しても、均温化されたガラス素材１５は均等に収縮して、転写精度は劣化しない。さらに、肉厚精度にも殆ど誤差を生じることはない。なお、上型固定具４および下型固定具５を互いに当接させない場合には、上型２と下型３との間に温度差が生じて転写精度が劣化したり、肉厚のバラツキが発生したりすることがある。
【００２４】
このようにして、本実施の形態では、最終荷重３６０×９．８Ｎ、温度はガラス粘度にして１０^８ポアズ程度で押圧を終えた。押圧に要した時間（図２のＢ点からＤ点まで）は約１分であった。押圧終了後は、冷却溝１４に窒素ガスを流し、上型固定具４および下型固定具５、並びに上型２および下型３が成形された光学素子を冷却する。そして、当接した上型固定具４および下型固定具５を離間し、成形された光学素子を取り出して成形を終了する。
【００２５】
以上説明した図２に示す上型固定具４および下型固定具５の温度と荷重の設定は、基本的にはガラスの破壊強度を基準に決定すればよいが、ガラスの粘度と作用させる荷重との関係については、変形効率が良くなるように実験で求めたものである。この図２から、低温でも変形可能な状態を利用して成形していることが分かる。揮発成分が発生するとされるガラス転移温度以上の時間は、１ショット約９分の内の約３分に短縮できた。ここでの１ショットの時間は、昇温開始から温度が３００℃に冷却されるまでとする。
【００２６】
本実施の形態において、成形した光学素子は凹形状のため、成形終盤に変形抵抗が高まるので、従来行われている成形条件においても粘度を下げる必要があり、そのため比較的高温の設定温度となっていた。本実施の形態で行ったように、ガラス素材の昇温過程で変形を行うことにより、特にガラス温度が最高温度近辺の揮発成分が多い時間の短縮効果が得られ、成形型の耐久性は、成形実験で２倍近くの寿命向上がみられた（３０００ショット→５０００ショット）。なお、従来例では、図２の破線で示すような条件で成形されていたが、この時は１ショット約１３分で、ガラス転移点温度以上の時間は約６分であった。
【００２７】
なお、本実施の形態では、成形される光学素子として、両面とも凹形状のレンズで説明したが、両面が凸形状でも、一面が凸形状で他面が凹形状であっても何等問題はない。さらにレンズに限定されるとなく、プリズム等他の光学素子に適用することができる。
【００２８】
本実施の形態によれば、このように成形条件を設定したことにより、転写精度が劣化することなく成形型の耐久性を向上させることができる。また、成形サイクルタイムを短縮したので、生産性を向上させることができる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、押圧成形するガラス素材を加熱し、転移点温度以上になった後、弱い荷重を印加して押圧を開始する。ガラス素材が変形し始め、成形型との接触面積が増加して加熱効率が向上し、変形が容易になる。さらに、成形型と同等以上の熱容量を有する型保持部材が互いに当接するまで昇温と増圧とを連続して行うことにより、ガラス素材が転移点温度以上に保たれる時間を短くするとともに、型保持部材が互いに当接した後は、成形型同士の熱の移動が可能となり、平衡状態を保ち、当接直後から冷却中においても成形型同士ひいてはガラス素材の均温化が図られ、転写精度の良好な光学素子を得ることができる。
る。
【００３０】
請求項２に係る発明によれば、上記効果に加え、型保持部材が互いに当接したときのガラス素材の温度である１０ ^７ポアズ相当の温度まで上昇した後は、この温度を保持したままさらに押圧を続けるようにしたので、成形型の耐久性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の光学素子成形方法に用いる成形装置の断面図である。
【図２】実施の形態１の成形型温度と荷重との時間的推移を示す図表である。
【符号の説明】
Ａガラス素材の加熱開始点
Ｂ成形型の押圧開始点
Ｃガラス素材および成形型の昇温期間
Ｄ成形型の押圧終了点

Claims

一対の成形型と同時または個別に加熱軟化させ、変形可能にしたガラス素材を前記一対の成形型で押圧して光学素子を得る光学素子成形方法において、
前記ガラス素材を設定温度に加熱中に、該ガラス素材の転移点温度以上になった後に押圧力を作用させ、
前記成形型と同等以上の熱容量を有する型保持部材が互いに当接するまで昇温と増圧とを行いながら成形することを特徴とする光学素子成形方法。
前記型保持部材が互いに当接したときのガラス素材の温度が１０^７ポアズ相当の温度以下であることを特徴とする請求項１記載の光学素子成形方法。