JP4730806B2

JP4730806B2 - ガラス光学素子の成形装置及び成形方法

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Publication number: JP4730806B2
Application number: JP2002086518A
Authority: JP
Inventors: 忠幸藤本; 裕之坂井
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: JP2003277081A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズ、プリズム、ミラーその他の光学素子の成形方法と、その方法の実施に使用する成形装置とに関する。特に、本発明は、プレス成形後に研削・研磨が不要なガラスレンズ等のガラス光学素子の成形装置及び成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学素子の製造において、素材をプレス成形するものとしては、例えば特開昭61-205630号公報に開示されているように、上型とおよび下型からなる金型間に、所定温度に加熱したガラス素材を充填し、これら一対の型によりガラス素材を押圧成形する装置が知られている。前記公報に記載のとおり、上又は下型と胴型の当接によって光学素子の肉厚を規制する方式、ストッパ等によって上下型が所定距離離れたときに停止して、肉厚を規制する方式が知られている。しかしながら、これらでは、型内のガラスの冷却固化の過程でヒケ等が生じる問題があった。そのため、該公報では、冷却固化の過程でガラスの収縮に連動して金型を加圧することが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発明者らは、この種の成形装置にあってはプレス成形を連続的に行う過程で、型まわりの部材が熱膨張による位置変化することに配慮していない為、たとえガラスの収縮に連動して加圧をしても、所定精度の光学素子が得られない場合がある事に着目した。一方、特開平9-188531号公報には、部材の不均一な温度分布による光軸ズレを防止する開示があるが、高度の面精度及び肉厚精度を有する光学素子を製造することに関して改善の余地があった。
【０００４】
また、上記の問題はプレス後において研磨を要しない程度に高精度に素材を成形しようとする場合に重要である。すなわち、そのような場合、所定の面精度等を得る為に、プレスにあたって光学素子の肉厚を決定した後においても押圧力をきめ細かに制御する課題があり、型まわりの部材が熱膨張による位置変化をする場合には、そのような緻密な制御を正確に行えなくなる。ここで、肉厚決定とは、成形型によりガラス素材が所定の肉厚になるまで押圧することであり、このときの肉厚は、成形された光学素子の最終肉厚とは必ずしも同一ではない。ガラスが冷却された後に、最終肉厚になることを予め算定し、所定の肉厚を定める。
【０００５】
特に、凹メニスカスレンズや両凹レンズなどの光学素子は高い面精度が得にくい為、荷重制御（押圧力及びその時間変化）、及び押型の位置制御を正確に行うことが重要な課題となっている。
【０００６】
なお、金型まわりの部材の熱膨張及びその経時変化を予め考慮に入れて押圧力及び型位置を制御することも考えられたが、制御系が複雑化する懸念が生じた。
【０００７】
本発明の目的は、所望の光学素子をプレス成形するにあたり、面精度を左右する、型の荷重制御及び位置制御を所望の設計で行う技術を提供することにある。また本発明の目的は、プレス後に研磨を要しない程度に高精度に光学素子を成形するにあたり、該光学素子を一層高精度に実現する技術を提供することにある。さらに本発明の目的は、光学素子を高精度に成形する成形装置を簡素な構成で実現することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様は、
相対向する一対の成形型と、
前記一対の成形型の一方を、他方の成形型に向かって進退させる駆動手段と、
前記他方の成形型を固定する基部と、
前記成形型を加熱する加熱手段とを、有する光学素子の成形装置であって、
前記光学素子の光軸方向に、前記基部に固定された成形型が、前記加熱手段の熱によって位置変化することを実質的に抑止する位置変化抑止手段を有することを特徴とする成形装置である。
【０００９】
第１の態様によれば、一対の成形型の一方が熱に起因して光学素子の光軸方向に位置変化するのを実質的に抑止することにより、型位置や押圧力等の緻密な制御を設計値通りに正確に行えるようになる。これにより、光学素子の肉厚精度のみならず面精度等の向上が図られると共に、連続生産における品質のバラツキを防止できる。また、そのような型位置、押圧力等の制御を比較的簡素な装置によって実現できる。
【００１０】
本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載の成形装置であって、
前記位置変化抑止手段が、温度調節手段を有することを特徴とする成形装置である。
【００１１】
第２の態様によれば、温度調節により上記正確な制御が図られる。
【００１２】
本発明の第３の態様は、
第１又は第２の態様に記載の成形装置であって、
前記温度調節手段が、前記基部の温度を検出する温度検出手段と、温度調節用の流体を循環させる循環機構と、前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記流体の流量を制御する流量制御手段とを備えることを特徴とする成形装置である。
【００１３】
本発明の第４の態様は、
第２又は第３の態様に記載の成形装置であって、
前記成形装置は、前記一対の成形型と前記加熱手段とを収容する成形室を有し、
前記温度調節手段が、前記成形室の内壁側に配置されていることを特徴とする成形装置である。
【００１４】
本発明の第５の態様は、
第１乃至第４の態様のいずれかに記載の成形装置であって、
前記位置変化抑止手段は、前記他方の成形型が支持された前記成形装置の周辺部材が、前記加熱手段の熱によって傾斜することを実質的に抑止するものであることを特徴とする成形装置である。
【００１５】
本発明の第６の態様は、
第１乃至第５の態様のいずれかに記載の成形装置であって、
前記加熱手段が、前記一対の成形型を誘導加熱により加熱する加熱手段を備え、
前期温度調節手段が、当該加熱手段が発生する磁場を遮蔽する非磁性部材を含んで構成されていることを特徴とする成形装置である。
【００１６】
第６の態様によれば、非磁性部材が、加熱手段が発生する磁場を遮蔽するから、仮に基部がステンレスのように誘導加熱による影響を受ける素材からなる場合であっても、当該基部の温度上昇を防止できる。非磁性部材としては、銅からなる部材が挙げられる。
【００１７】
本発明の第７の態様は、
相対向する一対の成形型間に被成形ガラス素材を配置し、この被成形ガラス素材が加熱により軟化した状態で、前記一対の成形型によって押圧してガラス光学素子に成形する押圧成形工程を含むガラス光学素子の成形方法であって、
前記一対の成形型の一方が、熱に起因して前記光学素子の光軸方向に位置変化するのを実質的に抑止する位置変化抑止工程を含むことを特徴とする成形方法である。
【００１８】
本発明の第８の態様は、
第７の態様に記載の成形方法であって、
前記一対の成形型が、基部に固定された受型と、前記光学素子の光軸方向に可動する押型とからなり、
前記位置変化抑止工程には、前記基部の少なくとも一部の温度を調節することにより、前記受型の少なくとも前記光軸方向の位置変化を実質的に抑止する温度調節工程が含まれることを特徴とする成形方法である。
【００１９】
本発明の第９の態様は、
第８の態様に記載の成形方法であって、
前記温度調節工程では、前記基部の複数の部位における温度を検知すると共に、その検知結果に基づいて当該各部位の温度調節を独立に行うことを特徴とする成形方法である。
【００２０】
本発明を適用して成形される光学素子の種類としては、レンズ形状の両凸、メニスカスなどがあるが、面精度を出すことが難しい凹メニスカスレンズ又は両凹レンズの成形などには、本発明は好適に用いられる。球面、非球面いずれでも良い。径は25mm程度のものが成形できた。
【００２１】
本発明の第１０の態様は、
第８または第９の態様に記載の成形方法であって、
押圧によりガラス素材を所定の肉厚とした後、荷重制御又は押型の位置制御を行うことを特徴とする成形方法である。
【００２２】
本発明は、相対向する一対の成形型間に加熱軟化した被成形ガラス素材を配置し、この被成形ガラス素材を前記一対の成形型で押圧してガラス光学素子に成形する成形装置において、前記一対の成形型の一方が、熱に起因して前記光学素子の光軸方向に位置変化するのを実質的に抑止する位置変化抑止手段を備えることが好ましい。
【００２３】
また本発明では、前記一対の成形型が基部に固定された受型と、前記光学素子の光軸方向に可動する押型とからなり、前記位置変化抑止手段が、前記基部の少なくとも一部の温度を調節することにより前記受型の少なくとも前記光軸方向の位置変化を実質的に抑止する温度調節手段を備えることが好ましい。
【００２４】
上記の構成により、温度調節により上記正確な制御が図られる。また、一方の成形型のみが可動するから、双方の成形型が可動する装置と比較して構成を簡素にできる。
【００２５】
本発明の具体的な態様では、前記温度調整手段が基部の少なくとも一部の温度が実質的に一定となるように調節することで、プレス成形工程を繰り返す過程で、基部が熱膨張又は熱収縮してしまうことを防止する。ここで実質的に一定とは、成形しようとする光学素子に要求される精度によって適宜決定されるが、通常は基部の温度変化がプレス成形開始時に対して、±５℃以内、好ましくは±２℃以内となるような範囲を指す。なお、前記温度調節手段は、加温手段、冷却手段、又は冷却及び加温の両機能を有していてもよい。要は、プレス成形工程を連続して行なうにあたり、固定部材の温度が終始所定範囲内におさまるように温度調節することが肝要である。
【００２６】
本発明の温度調節手段は、冷却手段であることが好ましい。プレス成形を繰りかえすうちに、成形型周辺の温度が上昇し、これに伴って基部（例えば成形室壁面）の寸法が僅かに変化する。すると、基部に固定された受型の位置精度が狂う。そこで、温度調節手段によって、基部の少なくとも一部を冷却することにより成形型周辺の温度上昇を防止する。
【００２７】
また、基部の少なくとも一部とは、本発明の目的を逸脱しない範囲で当該基部の任意の部位を指す。基部における受型の位置に最も影響しやすい部位の温度調節を行なうことが好ましいのは言うまでも無い。なお、基部（例えば成形室の壁面）の温度は、室温±１０℃の範囲に保つとよい。
【００２８】
通常、成形装置は、成形型を収容する成形室を有するため、好ましくは成形室が基部として機能する。この場合、装置をシンプルにする観点からは、成形室に成形型の一方を固定するのが好ましい。固定の態様は、直接でも間接的な固定でも良い。例えば、後述のように、成形室の天面に上型を直接又は間接に取付ける態様が好ましい。
【００２９】
本発明の好ましい態様として、前記押型が前記受型に向かって予め定めた所定ストローク量繰り出すように構成されていることがある。当該構成によれば、押型が受型に向かって予め定めた所定ストローク量繰り出すので、熱変形その他の外乱を繰り出し量にフィードバックさせる場合などに比べて制御系を簡素にできる。
【００３０】
本発明の具体的な態様による成形装置は、前記押型を前記受型に向かって進退させる駆動手段を備える。この場合において、該駆動手段が押型を予め定めた所定ストローク量繰り出すようにするのが好ましい。この繰り出し量は、連続的なプレス成形に先だって、予め定めておくことができる。さらには、駆動手段が押型を駆動する具体的方法（例えば、押圧成形工程中の押圧力の増減や、押型位置の変位の仕方など）を、時間や温度の関数として予めプログラミングして、制御装置（図示せず）に入力しておくことができる。
【００３１】
本発明の駆動手段としては、サーボモータが好ましく、トルク制御と位置制御ができる手段を伴うことが更に好ましい。すなわち、押圧成形を通じ、所望のトルクでサーボモータを制御できることが好適である。これにより、光学素子の肉厚を含む最終形状が決定する過程で押圧力等の緻密な制御を実現できる。
【００３２】
更に、本発明において、前記基部が、少なくとも前記受型及び押型を収容する成形室を構成していることが好ましい。
【００３３】
ここで、前記成形室の素材は特に限定されないが、熱膨張係数が過大でないこと（熱膨張係数α＝２０×１０^-6程度以下）、加工性に富んでいること、及び材料自身の放出ガス量が少ないこと（真空容器壁に適していること）を満たす素材が望ましい。好ましくは、成形室の素材としてステンレス鋼を用いる。
【００３４】
前記成形室は、好ましくは天面と壁面を有して多面体に構成する。プレス成形を非酸化性雰囲気で行なう場合には、この成形室が外部と成形型等を遮断する密閉部材として機能する。
【００３５】
例えば、直方体形状の成形室であれば、各壁面が異なった温度に加温されてしまう場合がある。これは、熱源からの距離が各壁面で異なる場合に深刻化する。そこで、各々の壁面にその壁面の温度を検出する温度検出手段を設け、当該各温度検出手段の検出結果に基づいて各壁の冷却を行なうことにより、当該各壁間の温度差を低減させるのが好ましい。
【００３６】
本発明の具体的な態様は、上記の成形装置において、前記受型及び押型は、それぞれ上下一対に配置された上型及び下型として構成されてあり、前記成形室は、前記上型が固定される天面と、前記上型及び下型を前記光軸まわりに取り囲むように配置された側面とを有してなる。このとき、光軸方向が上下方向となり、基部の温度変化による肉厚変化が生じやすいが本発明により効果的に防止できる。
【００３７】
ここで、前記各面に少なくとも１つの温度検出手段を設け、その検出結果を元に、各面の温度制御を独立に行なうのが好ましい。そうすると、光学素子のTilt（傾き）をより確実に防止できる。なお、天面にも温度検知手段を設けても良い。
【００３８】
本発明の具体的な態様では、前記温度調節手段が前記基部の少なくとも一部を冷却する。より具体的には、前記温度調節手段が前記基部の少なくとも一部を水冷により冷却する。
【００３９】
本発明の具体的な態様による成形装置は、前記基部に沿って温度調節用の流体を循環させる循環機構を備えることを特徴とする。ここで、前記循環機構の素材は、第１に熱伝導率が0.50以上であること、第２に耐熱性として材料融点で600℃程度以上を有すること、第３に加工性に富んでいること、などの条件下で選択される。これら総ての条件を満たすものとして銅が挙げられる。また、本発明においては、前記循環機構に循環させる流体の流量を調節することにより温度調節を行なうのが好ましい。この場合、流体そのものの温度を調整するよりも正確且つ容易に基部の温度調節を行なえる。なお、循環させる流体の種類を選択することによって温度調節を行なうこともできる。
【００４０】
本発明のさらに具体的な態様は、前記温度調節手段が、前記流体の流量を調節する為の流量調節手段を備えることが好ましい。
【００４１】
本発明の成形装置において、前記温度調節手段が、前記基部の温度を検出する温度検出手段と、当該基部に沿って温度調節用の流体を循環させる循環機構と、前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記流体の流量を制御するための流量制御手段と、を備えることが好ましい。
【００４２】
本発明の具体的な態様による成形装置は、前記基部が、前記光学素子の光軸方向に延在する光軸方向延在部を有していて、前記温度検出手段が、当該光軸方向延在部における複数の部位の温度を検出するように構成されていることができる。
【００４３】
具体的な態様では、成形型または成形型を収めた母型を加熱する加熱手段を成形室内に設置する。加熱手段としては、高周波誘導加熱コイル、胴型ヒーターなどが用いられる。好ましくは、加熱手段として誘導加熱コイルを用いる。高速昇温が可能で、また冷却速度も速く生産効率の向上が図れるからである。なお、この加熱手段は一対の型のそれぞれに配設するのが好ましい。
【００４４】
また、本発明の成形装置において、前記各成形型を誘導加熱により加熱する加熱手段を備え、前記温度調節手段が、前記基部と前記加熱手段との間に配置されて当該加熱手段が発生する磁場を遮蔽する非磁性部材を含んで構成されていることが好ましい。なお、この温度調節手段が前記循環機構の機能を兼ねていてもよい。
【００４５】
上記の態様によれば、非磁性部材が、加熱手段が発生する磁場を遮蔽するから、仮に基部がステンレスのように誘導加熱による影響を受ける素材からなる場合であっても、当該基部の温度上昇を防止できる。非磁性部材としては、銅からなる部材が挙げられる。
【００４６】
本発明の更なる態様は、相対向する一対の成形型間に加熱軟化した被成形ガラス素材を配置し、この被成形ガラス素材を前記一対の成形型によって押圧してガラス光学素子に成形する押圧成形工程を含むガラス光学素子の成形方法であって、前記一対の成形型の一方が、熱に起因して前記光学素子の光軸方向に位置変化するのを実質的に抑止する位置変化抑止工程を含むものである。
【００４７】
本発明の押圧成形工程では、成形型と被成形素材の温度を予め等しくして押圧成形する所謂等温プレスを行ってもよいし、また被成形素材を、成形型の温度よりも高温に予熱して押圧成形する所謂非等温プレスを行ってもよい。好ましくは、該被成形ガラス素材をその粘度で１０⁶〜１０⁸ポアズに相当する温度に予熱し、同被成形ガラス素材の粘度で１０⁸〜１０¹⁰ポアズ相当の温度に加熱された成形型に供給して押圧成形を行なうと、本発明の効果が顕著となる。
【００４８】
本発明の成形方法において、前記一対の成形型が、基部に固定された受型と、前記光学素子の光軸方向に可動する押型とからなり、前記位置変化抑止工程には、前記基部の少なくとも一部の温度を調節することにより前記受型の少なくとも前記光軸方向の位置変化を実質的に抑止する温度調節工程が含まれることが好ましい。
【００４９】
また、本発明の成形方法において、前記押圧成形工程では、前記押型を予め定めた所定ストローク量繰り出すことが好ましい。
【００５０】
前記温度調節工程では、前記基部に沿って温度調節用の流体を循環させると共に、当該基部の温度に基づいて前記流体の流量を調節することが好ましい。
【００５１】
本発明の具体的な態様による成形方法は、前記基部が、前記光学素子の光軸方向に延在する光軸方向延在部を有していて、前記温度調節工程では、当該光軸方向延在部における複数の部分の温度を検出し、その検出結果に基づいて当該基部の少なくとも一部の温度を調節することが好ましい。
【００５２】
本発明では、上記の成形方法において、前記温度調整工程では、前記基部の複数の部位における温度を検知すると共に、その検知結果に基づいて当該各部位の温度調節を独立に行うことが好ましい。
【００５３】
本発明を適用して成形される光学素子の種類としては、レンズ形状の両凸、メニスカスなどがあるが、面精度を出すことが難しい凹メニスカスレンズ又は両凹レンズの成形などには、本発明は好適に用いられる。球面、非球面いずれでも良い。径は25mm程度のものが成形できた。
【００５４】
本発明は、上記の何れかの態様による成形方法を用いる凹メニスカスレンズの製造方法を包含する。
【００５５】
また、本発明は、上記の何れかの態様による成形方法を用いる両凹レンズの製造方法を包含する。
【００５６】
なお、本発明の成形装置、及び成形方法によって成形する光学素子の肉厚公差(許容される肉厚誤差)は、例えば±0.03mm程度である。また、被成形素材としてガラスを用いる場合その硝種は特に限定されるものではなく、様々の屈折率或いはアッべ数を有する光学素子を成形できる。
【００５７】
【発明の実施の形態】
図１は実施の形態による成形装置を平面方向からみた場合の断面概略図である。このプレス成形装置１０は、加熱室２０及び成形室３０を備える。加熱室２０と成形室３０は通路４０で相互に連通されている。これら加熱室２０、成形室３０及び通路４０によって、外部から遮断された一つの密閉空間を構成している。ステンレスその他の部材により、この密閉空間の外壁を形成し、シーリング材によって、その気密性を保証できる。
【００５８】
この密閉空間は、光学素子の成形に際して非酸化性ガス雰囲気にされる。すなわち、図示しないガス交換装置によって、該空間内の空気が排気され、代わりに非酸化性ガスが充填される。非酸化性ガスとしては、好適には窒素ガスが用いられる。通路４０が加熱室２０と成形室３０との相互間における気体の交換を可能にするから、プレス成型時においては加熱室２０と成形室３０の気圧、ガス濃度及び温度は略一定にされる。但し、通路４０には気密バルブ４１が設けられていて、作業者による成形室３０内の保守点検時には当該気密バルブ４１が閉じることにより、加熱室２０側の加熱ガスが成形室３０側に流出せぬ様になっている。
【００５９】
加熱室２０は、プレスに先立って被成形ガラス素材を加熱軟化する領域である。被成形ガラス素材としては、プレス成形のために予備成形したもの（以下、「ガラスプリフォーム」という。）を用いる。加熱室２０には、ガラス加熱装置２２及びガラスプリフォームＧを供給するハンドラ（以下、供給ハンドラ２３という）が設置される。また、外部からガラスプリフォームＧを加熱室２０内へ供給するための搬入部２１が設置される。搬入部２１は、気密性を維持しつつガラスプリフォームを搬入するために、図示しない搬入室を備える。外部から供給されたガラスプリフォームを搬入室に搬入し、この内部を非酸化性ガスで充填した後に、加熱室２０側の扉を開けて順次ガラスプリフォームＧを内部へ搬入する。
【００６０】
供給ハンドラ２３は、搬入部２１から搬入されるガラスプリフォームＧを、ガラス加熱装置２２による加熱領域に搬送し、更に、加熱後のガラスプリフォームを成形室３０へ搬送する。供給ハンドラ２３は、そのアーム２４の先端に浮上皿２５を備え、その上でガラスプリフォームを浮上させながら保持する。実施例では、加熱室２０内に固定される駆動部２３ａによって、浮上皿２５を備えるアーム２４が水平に支承され、該アーム２４は略９０°の回転角をもって水平方向に回動される。また、アーム２４は、駆動部２３ａを中心とした半径方向に出退可能に構成されており、これによって、保持したガラスプリフォームを成形室３０に搬送可能にする。
【００６１】
ガラス加熱装置２２は、供給されたガラスプリフォームＧを所定の粘度に相応する温度にまで加熱する。ガラスプリフォームを安定して一定の温度まで昇温するために、抵抗素子を用いた抵抗加熱による加熱装置を用いるのが好ましい。ガラス加熱装置２２は、アーム２４上に保持したガラスプリフォームの移動軌跡下に設置されている。従って、アーム２４によるガラスプリフォームの搬送中にガラスプリフォームを加熱できる。なお、アーム２４をガラス加熱装置２２上で所定時間停止し、ガラスを加熱するようにしてもよい。これらの事項は、対象となるガラスの加熱に必要な時間に応じて決定される。加熱室２０から成形室３０へのガラスプリフォームの受け渡しは通路４０を介して供給ハンドラ２３によって行われる。
【００６２】
一方、成形室３０は、加熱室２０において予備加熱されたガラスプリフォームＧをプレスして、所望の形状のガラス光学素子（以下、光学ガラスＧという）を成形する領域である。１つの実施例においては、オーステナイト系ステンレスSUS304を用いて成形室３０を構成する。成形室３０には、プレス装置３３、光学ガラスの搬出用のハンドラ（以下、搬出ハンドラ３２という）、及びプレス成形された光学ガラスを外部へ搬出するための搬出部３１が設置される。搬出部３１は、成形室３０の気密性を維持しつつ光学ガラスを外部へ搬出するために、非酸化性ガスが充填された図示しない搬出室を備えている。搬出ハンドラ３２から渡された光学ガラスは、この搬出室に一旦搬入されてから外部に搬出される。
【００６３】
プレス装置３３は、供給ハンドラ２３によって加熱室２０から搬送されるガラスプリフォームＧを受け入れ、これをプレス（押圧）して所望の形状の光学ガラスを成形する。プレス装置３３は、相対向する一対の成形型を備えており、その間に供給されたガラスプリフォームＧをこれら一対の成形型で押圧して光学ガラスに成形する。成形型の周囲には、これを予熱する予熱手段としての型加熱装置３４が設置されている。型加熱装置３４の好ましい実施態様は、高周波誘導を用いた加熱方式のものである。ガラスプリフォームのプレスに先立って、成形型をこの型加熱装置３４によって加熱し、所定の温度に維持する。プレス時における成形型の温度は、予熱されたガラスプリフォームの温度と略同じであっても、又はそれよりも低いものであってもよい。
【００６４】
搬出ハンドラ３２は、プレス装置３３によってプレスされた光学ガラスを搬出部３１へ受け渡す。搬出ハンドラ３２は、駆動部３２ａに対し回動自在に支承されたアーム３２ｂの先端に吸着パッド３２ｃを備えている。吸着パッド３２ｃは、成形型の下型上にある光学ガラスを真空吸着し、搬出ハンドラ３２による搬送を可能にする。アーム３２ｂの回動により吸着された光学ガラスは、搬出部３１下に搬送され、ここに設置された図示しない昇降手段上に置かれる。アーム３２ｂの待避後に、該昇降手段が上昇され、光学ガラスは搬出部３１へ受け渡される。
【００６５】
次に、プレス装置３３まわりの構成について詳細に説明する。図２は、プレス装置３３まわりを正面からみた場合の構成を示す断面概略図である。同図に示すように、プレス装置３３は筒状に形成された上下一対の母型５１ａ，５１ｂに、それぞれ上型（受型）５２ａ，下型（押型）５２ｂを備えて構成される。上型５２ａ及び下型５２ｂの互いの対向面には、成形する光学ガラスの球面又は非球面に合わせて設計された成形面が形成されている。供給ハンドラ２３によって供給されるガラスプリフォームＧは、上型５２ａと下型５２ｂの間に配置され、そのガラスプリフォームＧを一対の型５２ａ，５２ｂで押圧して光学素子に成形する。
【００６６】
具体的には、上型５２ａが、成形室３０に固定され、下型５２ｂが成形しようとする光学素子の光軸方向（図２中、上下方向）に可動する。すなわち、供給ハンドラ２３によってガラスプリフォームＧが供給された後は、下型５２ｂが上型５２ａに向かって予め定めた所定のストローク量繰り出すことで、ガラスプリフォームＧを押圧して光学ガラスに成形する。
【００６７】
また、上型５２ａと下型５２ｂのそれぞれの周囲には、その型を予熱する型加熱装置３４としての誘導加熱コイル５３，５３が配設されている。誘導加熱コイル５３，５３はプレス形成に先立って、一対の成形型５２ａ，５２ｂを誘導加熱により所定温度に予熱する。１つの実施形態において、一対の成形型５２ａ，５２ｂは誘導加熱コイル５３，５３によって、ガラスプリフォームよりも低い温度（１０⁸〜１０¹²ポアズの粘度にするのに必要な温度）程度に予熱された後、ガラスプリフォームＧを受け入れてこれをプレスする。
【００６８】
また、図２に示すように、成形室３０は、上型５２ａが固定される天面６１と、上型５２ａ及び下型５２ｂを光学素子の光軸まわりに取り囲むように配置された側面６２，６２…と、天面６１に対向する底面６３とを備えて直方体状に構成されている。成形室３０を構成する当該各面のうち、側面６２，６２…は、成形しようとする光学ガラスの光軸方向（図２中、上下方向）に延在している。
【００６９】
また、上型５２ａは、成形しようとする光学素子の光軸方向に延在する支柱７１によって天面６１に固定されている。この支柱７１と成形室３０とを含んで基部を構成している。なお、支柱７１は天面６１を貫通しているが、当該貫通部分はフッ素ゴムなどからなるシール部材７２により気密封止されている。一方、下型は、成形しようとする光学素子の光軸方向に延在する突き上げ棒７３を介して成形室３０の外に配置された成形型駆動機構８０に繋がれている。突き上げ棒７３は、成形室３０の底面６３を貫通しているが、当該貫通部分は、フッ素ゴムなどからなるシール部材７４により気密封止されている。
【００７０】
成形型駆動機構８０は、繰り出し量（位置制御）及びトルク制御が可能なサーボモータと、そのサーボモータの制御プログラムを有する制御系とを備えて構成されている。成形型駆動機構８０では、制御系が制御プログラムに従ってサーボモータを制御して突き上げ棒７３を光軸方向（図２中、上下方向）に進退させることにより、ガラスプリフォームの押圧力、押圧時間、及び押圧のタイミングなどの緻密な制御が行われる。
【００７１】
また図２に示すように、誘導加熱コイル５３，５３と成形室３０の内壁との間には、熱伝導率が高く且つ非磁性体である銅からなる冷却板９１，９２…が配置されている。これら冷却板９１，９２…は、成形室３０の総ての内壁に貼設されている。さらに当該各冷却板９１，９２…の熱源側の表面にはそれぞれ同じく銅製のパイプ９１ａ，９２ａ…が張り巡らされている。各パイプは半田付けにより冷却板に取り付けることができる。パイプ９１ａ，９２ａ…の設置箇所は成形室３０の内部でも外部でも良いがこれを内部に設置している。成形室内部にパイプ９１ａ，９２ａ…を設けた方が、熱源側であるから冷却効率が良い。
【００７２】
また図示はしないが、各パイプには、そのパイプを循環する冷却水（温度調節用の流体）の流量を調節する為の流量調節バルブが取り付けられている。これら冷却板９１，９２…，パイプ９１ａ，９２ａ…，及び流量調節バルブによって本発明の循環機構を構成している。なお、冷却板及びパイプの素材としては熱伝導率の高い銅（熱伝導率＝0.93）が最適といえるが、純アルミ（熱伝導率＝0.56）なども候補として挙げられる。
【００７３】
また成形室３０の天面６１，側面６２…，及び底面６３には、それぞれ温度センサ（図示せず）が取り付けられている。各々の温度センサは、それが取り付けられている面における複数の部位の温度を検出する。検出結果は、図示しない流量制御部に出力される。流量制御部は温度センサからの検出結果に基づいて、流量調節バルブの開き量を制御して各パイプを流れる冷却水の流量を制御することにより、天面６１、側面６２…、及び底面６３の温度調節を個別に行う。なお、流量制御部は、例えばソフトウエアによって実現できる。
【００７４】
以上の如く構成された成形装置の作用は次の通りである。供給ハンドラ２３は、浮上皿２５にて浮上保持している加熱軟化したガラスプリフォームを上型５２ａと下型５２ｂの間に素早く移動させる。この状態で、アーム２４がその長手方向の中心線に沿って２つに分割する。これにより、ガラスプリフォームが下型５２ｂに落下供給される。このとき、上型５２ａ及び下型５２ｃは誘導加熱コイル５３，５３によって所定の温度に予熱されている。その後、分割したアーム２４は再び閉じて、加熱室２０側に素早く後退する。なお、プリフォームを下型５２ｂへ落下供給する際、該プリフォームを下型５２ｂの成形面の中央に位置決めするセンタリング手段を備えるのが好ましい。
【００７５】
次いで、プリフォーム載せた下型５２ｂは成形型駆動機構８０による駆動によって上型５２ａに向かい素早く上昇する。その後、上下一対の型５２ａ，５２ｂによってプリフォームを押圧成形して凹メニスカスレンズや両凹レンズなどの光学素子に成形する（押圧成形工程）。しかる後、図示しない型冷却手段（好ましくは不活性ガス吹き付けによる冷却）によって一対の型５２ａ，５２ｂ及び光学素子を所定の温度（例えばガラス歪点付近）まで加圧しながら降温させる。かくして、所定の光学性能及び形状精度を有した光学ガラスを得る。
【００７６】
ガラスプリフォームを連続して押圧成形する際には、型５２ａ，５２ｂの温度が高温（例えば600℃程度）になると共に、その熱放散により周辺雰囲気の温度も高温となる。そこで、押圧成形工程中には、各パイプ９１ａ，９２ａ…に冷却水を循環させて各冷却板を冷却することで、当該各冷却板が誘導加熱コイル５３，５３及びガラスププリフォームからの放射熱を遮断する（温度調節工程）。これにより、成形型５２ａ，５２ｂの熱変形が抑えられる。また冷却板９１，９２…は非磁性体からなるので、誘導加熱コイル５３，５３が発生する磁場を遮蔽する。これにより、誘導加熱による影響を受けるステンレスから構成された成形室３０の温度上昇を防止できる。なお、冷却板９１，９２…に導電性の高い材料を用いるとさらに効果が高い。
【００７７】
具体的には、流量制御部が、温度センサからの検出結果に基づいて、成形室３０の熱変形を回避し、且つ天面６１，側面６２…，及び底面６３の温度が常に略等しく揃うように、当該各面別にその面に張り巡らされたパイプに循環させる冷却水の流量を個別に制御する。これにより、成形室３０は上下左右の何れの方向にも熱変形が抑えられる。また型５２ａ，５２ｂの周辺部材の温度が立ち上げ時から時間と共に緩やかに上昇することも確実に防止できる。その結果、Tiltや偏心等の発生を防止して、精度の高い光学素子を得ることができる。従って、この成形装置は、精度高い肉厚と面精度の制御、傾きの防止など、高精度な性能が要求される光学素子の成形に好適である。
【００７８】
特に、成形室の温度を調節することにより当該成形室に固定された受型５２ａの少なくとも光軸方向（図２中、上下方向）の位置変化を実質的に抑止できる。また、下型の繰り出し量は光学素子の最終肉厚を左右するが、下型５２ｂを駆動する成形型駆動機構８０が成形室３０の外に配置されているから、下型５２ｂの位置が成形室３０の温度変化の影響を受けることはない。従って、連続して押圧成形する過程で、一対の型５２ａ，５２ｂどうしの少なくとも光軸方向の離間量が、熱に起因して変化するのが実質的に抑止される。これにより、光学素子の少なくとも肉厚に誤差が生じることが回避される。
【００７９】
また型５２ａ，５２ｂの周辺部材の緩やかな昇温が防止され、プレス開始後の冷却時における型位置制御が所望通りに行われ、且つ押圧力の大きさ、押圧時間、押圧のタイミング等の緻密な制御を正確に行えるようになるから、肉厚精度は勿論、面精度の向上も図られるようになり、特に凹メニスカスレンズや両凹レンズの製造には好適である。さらにそのような緻密な制御を、熱変形を考慮に入れなくてもできるようになるから、成形型駆動機構８０の制御系の簡素化が図られる。
【００８０】
以上のように本発明の成形装置によれば、相対向する一対の型の一方を固定したまま、すなわち装置の構造を過度に複雑化することなく、面精度、肉厚制御、光軸の傾きなどが所望の仕様を満たす光学素子を効率良く成形できる。すなわち、本発明の構成により、下型の繰り出し量を成形室（固定部材）と同じ位置基準で位置決めでき簡便である。また、凹メニスレンズや両凹レンズのような高面精度を達成する難度の高い光学素子であっても、下型の押圧力制御（繰り出し量やトルク）を所望のパターンで行なうことができるため、これを困難なく成形できる。
【００８１】
〔比較例１〕比較のために循環機構（冷却板９１，９２…及びパイプ９１ａ，９２ａ…）及び流量制御部を具備しない点を除けば上記と同様に構成された成形装置を用いて、連続可動を行ったところ、光学素子の肉厚精度及び傾き精度が悪化した。これは、成形を繰り返すごとに基部としての成形室の温度が上昇し、該成形室の寸法が変化した為であると考えられる。以下、この原因を図３及び図４を参照して説明する。なお、図３及び図４においては便宜上、上記実施の形態による成形装置と同じ部分については同符号を付している。
【００８２】
光学素子の肉厚精度が悪化した要因としては、連続可動を行う過程で図３中、想像線（破線）で示すように、固定された上型５２ａの位置が時間と共に下型から遠ざかる方向（図３中、上方向）に変位した為であると考えられる。これは主として、光学素子の光軸方向に延在する側面６２，６２…が熱膨張したことに因ると考えられる。下型の繰り出し量は一定であるから、このような場合、押圧時における各成形型どうしの光軸方向の離間量が増大し、結果として成形される光学素子の肉厚が厚くなってしまう。
【００８３】
また、光学素子の傾き精度が悪化した要因としては、連続可動を行う過程で図４中、想像線（破線）で示すように、天面６１が時間と共に水平位置に対して傾斜した為であると考えられる。これは主として、光学素子の光軸方向に延在する側面６２，６２…間で温度差が生じた為であると考えられる。具体的には図４において、右側の側面６２の方が左側の側面６２よりも熱源（誘導加熱コイル５３）に近い為、これら左右の側面が均等に膨張しない。すなわち、左側の側面の方が熱膨張量が小さくなるので、結果的に天面６１が左側に傾斜したものと考えられる。このような場合、天面６１に固定された上型５２ａも傾斜するので、光学素子の光軸にTilt（傾き）が発生する。レンズの片面もしくは両面が非球面形状である場合、傾き精度は特に厳しいものが要求される。先のレンズ肉厚精度と同様、傾き精度を満たす温度差管理も極めて重要となる。
【００８４】
以上からわかるように、光学素子の肉厚精度に影響を及ぼさないように成形室３０の温度を調整するのは勿論、成形室３０を構成する各面間の温度差を低減することも重要である。なお本発明では、成形室を構成する各面６１，６２…，６３の冷却回路を独立させ、各々の面の温度調節を個別に行うこととしたので、上記の問題の一切を回避できる。
【００８５】
〔実施例〕SUS304ステンレスからなる全高700ｍｍの成形室内でガラスプリフォームの押圧成形を連続的に行った。押圧成形を連続的に行う過程で、成形室の内壁に取り付けた銅製パイプに、20℃に保たれた水を循環させることによって成形室の冷却を行った。そして、立ち上げからのレンズ間での肉厚の変化に注目したところ、2時間経過した時点で肉厚に+0.026mmの増加が認められた。しかし、その後はこの数値を保ち肉厚スペック（1.8±0.025）から外れることはなかった。なお、立ち上げ時からの壁温度の上昇は2℃に抑えることができた。
【００８６】
〔比較例２〕一方、成形室の冷却を行わずに同様の成形室内でガラスプリフォームの押圧成形を連続的に行った。そして、立ち上げからのレンズ間での肉厚の変化に注目したところ、立ち上げ時は肉厚スペック（1.8±0.025）に対し1.778とスペック内であったが、時間の経過と共に肉厚傾向となり、2時間後は2.298と大きくスペックから外れた。なお、これは成形室を構成するSUS304ステンレスの熱膨張係数α＝18.8×10^-6から膨張量を計算で求めたものに略一致している。また、立ち上げから略2時間が経過した時点で成形室内の壁温度は40℃上昇した。
【００８７】
以上の実施例と比較例２を比較すると、特にレンズ肉厚のスペックに対する成形室の温度管理が極めて重要であることが判る。なお、成形室の壁の材質はSUS304に限定されるものではないが、熱膨張係数の小さい素材で成形室を構成するのが有利であることは言うまでもない。
【００８８】
〔変形例〕図５は、別の実施の形態による成形装置におけるプレス装置まわりを正面からみた場合の構成を示す断面概略図である。同図において、図２と同様の構成部材には便宜上、同符号を付して重複する説明を省略する。この成形装置では、循環機構が所謂ジャケット構造をなしている。すなわち、成形室を構成する各面には、それぞれ断面短冊状の空隙１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ…が形成されたジャケット部材１０１，１０２，１０３…が取り付けられている。各ジャケット部材の空隙には図５中、紙面に垂直な方向に冷却液が循環するようになっている。なお各ジャケット部材は、非磁性体で且つ熱伝導率の高い銅から構成されている。循環機構としてこのようなジャケット構造を採用した場合、ジャケット部材そのものが冷却板としての機能を発揮するからより効率的な温度調整が行える。また、ジャケット部材が遮蔽部材としての機能を発揮するから、成形室３０の誘導加熱が防止される。
【００８９】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、極めて成形温度の高いプレス成形を行なった場合などに、本発明の温度調節手段をもっても成形室の温度上昇を防止しきれない場合には、成形室の温度変化に起因する肉厚変動分をキャンセルするように下型の繰り出し量を予め設定するようにしてもよい。下型の繰り出し量は成形型駆動機構８０の制御系のプログラムで設定できる。
【００９０】
また、プレス成形を行ないながら成形型５２ａ，５２ｂ又はその近傍の温度検出を行ない、そこで得られた温度情報を成形型駆動機構８０の制御系にリアルタイムでフィードバックして下型の繰り出し量などを決定してもよい。
【００９１】
また、光学素子の肉厚精度や面精度を向上させると云う観点からは、当該光学素子の光軸方向に延在する光軸方向延在部の温度調節が特に肝要である。本発明で云う光軸方向延在部には、側面６２…のみならず支柱７１や突き上げ棒７３なども含まれるから、それら支柱７１や突き上げ棒７３などにも温度センサを設けると共にその温度を調節して、それらの熱膨張及び熱収縮を防止してもよい。さらに、それら支柱７１や突き上げ棒７３などを含む光軸方向延在部の熱変位分を予め求めておき、連続的なプレス成形に先立って、その熱変位分をキャンセルするように下型の繰り出し量を設定するようにしてもよい。
【００９２】
また、上記実施の形態では、流量制御部による自動制御でパイプ或いはジャケット部材に循環させる冷却水の流量を調節することとしたが、冷却水の流量の調節は作業者が流量調節バルブ（流量調節手段）を操作することによって行うこともできる。その場合は、各面に対応する温度センサの検出結果が目視可能な形態で成形室の外部に表示出力されるようにするのが好ましい。そうすると、制御系の簡素化やコストダウンが図られる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、所望の肉厚精度、面精度を満足した光学素子をプレス成形で高精度に実現できる。また本発明によれば、プレス後に研磨を要しない程度に高精度に光学素子を成形するにあたり、面精度の得にくい形状のものであっても該光学素子を一層高精度に実現できる。さらに本発明によれば、光学素子を高精度に成形する成形装置を簡素な構成で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態による成形装置を平面方向からみた場合の断面概略図。
【図２】実施の形態による成形装置における成形型まわりの構成を示す断面概略図。
【図３】熱膨張によって上型の位置が変化する１つの態様を説明する為の図。
【図４】熱膨張によって上型の位置が変化する別の態様を説明する為の図。
【図５】別の実施の形態による成形装置における成形型まわりの構成を示す断面概略図。
【符号の説明】
１０…成形装置、３３…成形型、５２ａ…上型、５２ｂ…下型、３０…成形室、６１…天面、６２…壁面、７１…支柱、７３…突き上げ棒、９２…冷却板、９２ａ…パイプ、Ｇ…ガラスプリフォーム；ガラス光学素子。

Claims

成形しようとするガラス光学素子の光軸方向で対向する天面および底面と、当該ガラス光学素子の光軸まわりに取り囲むように配設されていて当該天面および底面を対向した状態に保持する側面とから構成され、これらの面によって外部から遮断された密閉空間の外壁を形成するようにした成形室と、
前記成形室の天面または底面のいずれかに固定されている固定型と、当該固定型に対して進退可能に設けられている可動型とからなる相対向する一対の成形型と、
前記可動型を前記固定型に向かって進退させる駆動手段と、
前記成形型を加熱する加熱手段と、
前記成形室を構成する天面、底面および側面の温度を調整する温度調節手段と
からなることを特徴とするガラス光学素子の成形装置。
請求項１に記載のガラス光学素子の成形装置であって、
温度調節手段は、前記成形室の内壁側に配設されていることを特徴とするガラス光学素子の成形装置。
請求項１または２に記載のガラス光学素子の成形装置であって、
前記温度調節手段は、前記成形室を構成する天面、底面および側面に貼設されていて、内部または表面に温度調節用の流体が循環可能な流路が形成されている板状部材であることを特徴とするガラス光学素子の成形装置。
請求項３に記載のガラス光学素子の成形装置であって、
前記温度調節手段は、前記成形室を構成する天面、底面および側面の各面の温度を検出する温度検出手段と、温度調節用の流体を循環させる循環機構と、前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記流体の流量を制御する流量制御手段とを備えることを特徴とするガラス光学素子の成形装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載のガラス光学素子の成形装置であって、
前記加熱手段は誘導加熱によるものであり、前記温度調節手段は当該誘導加熱による加熱手段が発生する磁場を遮蔽する部材を含んで構成されていることを特徴とするガラス光学素子の成形装置。
請求項５に記載の加熱手段は、高周波誘導を用いた加熱方式のものであることを特徴とするガラス光学素子の成形装置。
請求項５に記載の磁場を遮蔽する部材は、銅または純アルミであることを特徴とするガラス光学素子の成形装置。
成形しようとする光学素子の光軸方向で対向する天面および底面と、当該光学素子の光軸まわりに取り囲むように配置されていて当該天面および底面を対向した状態に保持する側面とから構成される成形室を備え、当該成形室の天面または底面のいずれかに固定されている固定型と、当該固定型に向かって進退可能に設けられている可動型とからなる相対向する一対の成形型間に被成形ガラス素材を配置し、この被成形ガラス素材が加熱により軟化した状態で、当該一対の成形型によって押圧してガラス光学素子を成形する押圧成形工程を含むガラス光学素子の成形方法であって、
前記成形室を構成する天面、底面および側面を温度調節手段によって所定の温度に保持する温度調節工程を含む
ことを特徴とするガラス光学素子の成形方法。
請求項８に記載のガラス光学素子の成形方法であって、
前記温度調節工程は、前記成形室の天面、底面および側面の複数の部位における温度を検知すると共に、その検知結果に基づいて当該各部位の温度調整を独立に行うことを特徴とするガラス光学素子の成形方法。
請求項８または９に記載のガラス光学素子の成形方法であって、
押圧によりガラス素材を所定の肉厚とした後、荷重制御又は押型の位置制御を行うことを特徴とするガラス光学素子の成形方法。