JP5121610B2 - 光学素子の成形方法及び光学素子成形用素材 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスを素材とする光学素子を製造するための光学素子の成形方法及び光学素子成形用素材に関するものである。

光学素子を成形する技術として、例えば、特許文献１に開示されたように、巨視的なうねりのある光学ガラス塊を成形型によって熱間でプレス成形する技術が知られている。

特開平１−３０１５２８号公報

近年、成形ガラス光学素子の光学機器への使用は一般化し、従来には見られなかったレンズ形状への展開が進んでおり、特に、両凹形状の成形ガラス光学素子の開発が近年では盛んである。

このような両凹形状の光学素子を成形するための光学素子成形用素材として、以下に示す課題がある。

ガラスの光学素子成形用素材として最も安価なものは、溶融状態のガラス塊を下方からのガス流により非接触状態で浮上保持し固化させたガラス塊である。しかし、このガラス塊の外形は、溶融ガラスの表面張力で形成されているので、全面が自由表面の凸形状となる。このような凸形状のガラス塊を、両凹形状の光学素子を成形するための精密成形型の下型の上に、高い置き精度で載置することは困難である。

一方、特許文献１に開示された方法では、成形により巨視的なうねりのある成形用素材を得ているので、両凹形状の光学素子成形用の精密成形型の下型の上に比較的安定して置くことができる。しかしながら、特許文献１に開示された方法では、巨視的なうねりの発生位置や大きさが安定しないという問題があった。従って、このような巨視的なうねりのある成形用素材から両凹形状の光学素子を得ようとする場合、成形用素材を凸形状の下型の上に高い置き精度で載置することは困難である。

また、近年では、ガラスの光学素子を成形する装置の自動化、ハイサイクル化の開発が進んでいる。このような光学素子の製造装置においては、成形用素材を載置した状態の精密成形型の下型を、装置内で移動させる工程が発生することがあるが、この移動工程において、光学素子成形用素材を精密成形型の下型上に高い置き精度で保持することは難しい。

本発明は、光学素子成形用素材を精密成形用の下型の上に高い精度で載置し、下型の移動中も位置精度（置き精度）を保つことで、形状精度の高い光学素子を製造することが可能である光学素子の成形方法及び光学素子成形用素材を提供することを目的とする。

本発明の光学素子の成形方法は、ガラス塊と、前記ガラス塊と一体に形成された複数の脚と、を備える光学素子成形用素材を成形する第１の工程と、精密成形用の下型と上型との間で前記光学素子成形用素材をプレス成形して光学素子を得る第２の工程と、を有し、前記第２の工程において、前記光学素子成形用素材の前記ガラス塊を、複数の前記脚によって前記下型の上に支持することを特徴とする。

本発明の光学素子成形用素材は、下型と上型との間でプレスされることによって光学素子に成形される光学素子成形用素材であって、ガラス塊と、前記ガラス塊を前記下型の上に支持するために、前記ガラス塊と一体に形成された複数の脚と、を備えたことを特徴とする。

光学素子成形用素材に脚が設けられているため、光学素子を成形する精密成形用の下型上に、高い置き精度で載置することができる。

特に成形が難しい凹レンズ形状の光学素子も、高精度で成形することが容易になり、製造コストの削減に貢献できる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１（ａ）〜（ｃ）は、一実施形態による光学素子の成形方法の第１の工程を示すもので、まず、（ａ）に示すように、光学素子成形用素材を成形するための成形型である下型１と上型２を用意する。下型１は、光学素子成形用素材の脚部成形用の凹部３を有する。

この工程で用意する成形型は、脚部のみを成形する成形型でもよいし、脚部とガラス塊部の両方を成形する成形型でもよい。

脚部の個数、形状、それに対応する成形型の形状は、光学素子成形用素材を精密成形型の上で安定させるという目的に鑑み、適宜選択される。

この第１の工程で用意する成形型は、溶融ガラスとの濡れ性の悪い材料で作ることが好ましく、具体的材料としては、カーボン、セラミック等がある。

図１（ａ）の成形型を用いて、成形材料４から、（ｂ）、（ｃ）に示すように、一体に形成された脚５とガラス塊６からなる光学素子成形用素材を成形する。

この工程の成形温度及びプレス力は、本工程での成形範囲と成形用素材形状から最適なプロセスが選択されることが望ましい。

この工程は、その成形プロセスから、非酸化雰囲気中での成形、又は、大気雰囲気中での成形、を選択することができる。

図１（ｄ）は、第１の工程で得られたガラス塊６と脚５からなる光学素子成形用素材を、精密成形用の下型７の上に載置して、図示しない上型を用いて精密成形（プレス成形）し、光学素子を得る第２の工程を示す。この工程は、非酸化雰囲気中で行なうのが好ましい。

この工程で用いる成形型は、セラミックなどの高温強度のある材料からなることが好ましい。

この工程の成形温度及びプレス力は、ガラスの種類とレンズ形状等から最適なプロセスが選択されることが望ましい。

本実施例で成形する光学素子の形状は両凹形状であり、その硝材は、屈折率ｎｄ１．８２の高屈折率の光学ガラスである。具体的な光学素子の寸法は、直径１０．０ｍｍ、中心高さ１．５ｍｍ、凹１面Ｒ１２ｍｍ、凹２面Ｒ１８ｍｍの両凹レンズである。

第１の工程において光学素子成形用素材を成形するための成形型は、図１（ａ）に示すように、下型１及び上型２を有し、光学素子成形用素材の脚５を成形するために、下型１の成形面には凹部３を備える。下型１と上型２の外径は１２ｍｍである。これらの型で形成されるキャビティーは、３ｍｍの厚さに調整されている。脚部成形用の凹部３は、半径４ｍｍの球冠形状で、その開口径は３ｍｍ、深さは０．２９ｍｍである。この凹部３は、図１（ｃ）に示すように、ＰＣＤ３ｍｍのピッチ円上に３箇所設けた。この成形型は、超硬合金で製作し、その成形面にはカーボン系の離型膜を設けた。

この超硬合金製の成形型を用いて、ガラス塊６と複数の脚５からなる光学素子成形用素材を成形する。

この工程で用いる材料として、全面が滑らかな自由表面からなる凸形状のガラスの塊を成形材料４として用意した。このガラスの塊は、溶融状態のガラスをガス流により非接触状態で保ち、冷却することで得られる。本実施例で用いた凸形状のガラスの塊は、直径６ｍｍ、高さ４ｍｍである。

図１（ａ）に示すように、下型１の上に、成形材料４を載せた状態で、非酸化雰囲気で、下型１、上型２、成形材料４を６１０℃まで加熱し、成形材料４を軟化させた後、雰囲気を減圧雰囲気にし、２０００Ｎのプレス力で成形した。この後、冷却し、成形型から光学素子成形用素材を取り出した。

このようにして得られた光学素子成形用素材は、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、複数の脚５及びガラス塊６を備える。各脚５は、高さ０．２８ｍｍの球冠形状に形成されている。ガラス塊６は、直径８ｍｍ、厚さ３ｍｍの円板形状に形成されている。

次に、第２の工程として、このガラス塊６と脚５からなる光学素子成形用素材を、精密成形用の下型７を用いてプレス成形し、光学素子を得た。精密成形用の下型７の上に置かれた光学素子成形用素材は、下型上において脚５でガラス塊６を支持した状態になっている。

精密成形型は超硬合金からなり、その下型７はＲ１８ｍｍの凸球面であり、上型（不図示）はＲ１２ｍｍの凸球面である。光学素子の側面部も成形できるように、円筒状の側面型（不図示）も有している。

下型７の上で、光学素子成形用素材の脚５でガラス塊６を支えた状態で、本実施例では下型７が上昇し、側面型の中に搬送され、プレス成形される。プレス温度は６１０℃、プレス力は３０００Ｎで、窒素雰囲気でプレス成形を行った。

成形品である光学素子の寸法は、直径１０ｍｍ、中心高さ１．５ｍｍ、凹１面Ｒ１２ｍｍ、凹２面Ｒ１８ｍｍの両凹レンズであった。このようにして得られた光学素子は、高い光学性能を有しており、また、その側面は高い形状精度に成形されており、芯取り加工を必要とせずに光学機器の鏡筒に組込み可能であった。

本実施例によれば、高い光学性能を有する光学素子の製造コストを大幅に低減できる。

本実施例では、実施例１と同一形状（両凹形状）の光学素子を得る工程において、ガラス塊と脚からなる光学素子成形用素材の脚部を成形する成形型の構成のみが異なる。

図２に示すように、本実施例では、上下面とも平面からなる成形型である下型１１及び上型１２を用意する。上型１２は、光学素子成形用素材の脚部を成形するために上型１２の成形面に開口する貫通孔１３を有する。下型１１と上型１２の外径は１２ｍｍである。これらの型で形成されるキャビティーは、３ｍｍの厚さに調整されている。脚部成形用の貫通孔１３は、開口径は３ｍｍであり、ＰＣＤ３ｍｍのピッチ円上に３箇所設けた。この成形型は、窒化硼素で製作した。

この窒化硼素製の成形型を用いて、ガラス塊と脚からなる光学素子成形用素材を成形する。

成形材料１４として、円板形状のガラス板を用意した。円板形状のガラス板は、直径８ｍｍ、高さ３．２ｍｍである。

下型１１の上に、ガラス板を載せた状態で、大気中で、ガラス板の上面を酸水素炎で加熱し、軟化させ、ガラス板の上表面を８００℃まで加熱した後、ただちに１００Ｎのプレス力で成形した。この後、冷却し、成形により得られた光学素子成形用素材を取り出した。

このようにして得られた光学素子成形用素材は、実施例１と同様に、脚は、球冠形状に形成され、ガラス塊は、直径８ｍｍ、厚さ３ｍｍの円板形状に形成されている。

次に、第２の工程として、このガラス塊と脚からなる光学素子成形用素材を精密成形（プレス成形）し、光学素子を得た。本実施例の第２の工程は、実施例１と同一の工程で行った。

成形品である光学素子の寸法は、直径１０ｍｍ、中心高さ１．５ｍｍ、凹１面Ｒ１２ｍｍ、凹２面Ｒ１８ｍｍの両凹レンズであった。得られた光学素子には、光学素子成形用素材の脚の痕跡は無く、高い品質であった。また、光学素子の側面は高い形状精度に成形されており、芯取り加工を必要とせずに光学機器の鏡筒に組込み可能であった。

本実施例は、高い光学性能を有する光学素子を成形するための光学素子成形用素材をより安価に製作することができ、製造コストのより一層の削減に効果がある。

本実施例で成形する光学素子の形状は、凹メニスカス形状である。

第１の工程として、光学素子成形用素材を成形するための成形型として、図３（ａ）に示すように、下型２１と上型２２を用いる。下型２１の成形面には凹部２３が設けられる。下型２１の成形面はＲ１２ｍｍの凹球面を有し、上型２２の成形面はＲ９ｍｍの凸球面である。下型２１と上型２２で形成されるキャビティーの径は１２ｍｍである。また、キャビティーの厚みは、３ｍｍに調整されている。脚部成形用の凹部２３は、半径４ｍｍの球冠形状で、その開口径は３ｍｍ、深さは０．２９ｍｍである。この凹部２３は、ＰＣＤ３ｍｍのピッチ円上に３箇所設けた。この成形型は、グラファイトで製作した。

このグラファイト製の成形型を用いて、図３（ｂ）に示すように、ガラス塊２６と脚２５からなる光学素子成形用素材を溶融状態のガラスから成形する。すなわち、成形材料２４として、溶融ガラス塊を用意する。本実施例で用いた溶融ガラス塊の重量は、１．３ｇである。この溶融ガラス塊は、電気炉内に設置した白金製るつぼ内で光学ガラスを溶融し、流出パイプから溶融ガラスを流出させ、流出する溶融ガラスを所定量グラファイト製の下型２１の上に受けて、所望重量の溶融ガラス塊を得たものである。

下型２１の上に、溶融ガラス塊を載せた状態で、大気中で、ただちに１００Ｎのプレス力で成形した。この時、溶融ガラス塊の温度は８００℃、下型２１と上型２２は５００℃であった。この後、５秒間保持した後、型開きし、成形により得られた光学素子成形用素材を取り出した。

このようにして得られた光学素子成形用素材は、図３（ｂ）に示すように、複数の脚２５とガラス塊２６からなる。各脚部２５は、球冠形状に形成されている。ガラス塊２６は、直径１２ｍｍ、厚さ３ｍｍの球殻形状に形成されている。

次に、第２の工程として、このガラス塊２６と脚２５からなる光学素子成形用素材を精密成形し、光学素子を得た。

図３（ｃ）は、精密成形用の下型２７の上に置かれた光学素子成形用素材を示す。ガラス塊２６と脚２５からなる光学素子成形用素材を凹面の成形面を有する精密成形用の下型２７に載せた時、脚２５でガラス塊２６を下型上に支持する。

精密成形型は、超硬合金からなっている。その下型２７はＲ２８ｍｍの凹球面であり、上型（不図示）はＲ９ｍｍの凸球面であり、成形素子の側面部も成形できるように、円筒状の側面型（不図示）も有している。

下型２７の上で、光学素子成形用素材の脚２５がガラス塊２６を支えた状態で、下型２７が横方向に移動し、上型の下方の位置に到達した後上昇し、側面型の中に搬送されてプレス成形される。本実施例でのプレス温度は６１０℃、プレス力は３０００Ｎで、窒素雰囲気で行った。

このようにして得られた光学素子の寸法は、直径１２．４ｍｍ、中心高さ１．５ｍｍ、凸面Ｒ２８ｍｍ、凹面Ｒ９ｍｍの凹メニスカスレンズであった。この光学素子は、高い光学性能を有しており、また、その側面は高い形状精度に成形されており、芯取り加工を必要とせずに光学機器の鏡筒に組込み可能であった。

上記実施例によれば、光学素子成形用素材を載せた状態で精密成形用の下型を移動させても高い精度で置き続けることが可能なので、製造装置システムを安価にすることが可能になる。その結果、高い光学性能を有する光学素子を安価に製造することができる。

実施例１による光学素子の成形方法を説明する図である。 実施例２による光学素子の成形方法を説明する図である。 実施例３による光学素子の成形方法を説明する図である。

符号の説明

１、７、１１、２１、２７ 下型
２、１２、２２ 上型
３、２３ 凹部
４、１４、２４ 成形材料
５、２５ 脚
６、２６ ガラス塊
１３ 貫通孔

Claims (5)

1. ガラス塊と、前記ガラス塊と一体に形成された複数の脚と、を備える光学素子成形用素材を成形する第１の工程と、
   精密成形用の下型と上型との間で前記光学素子成形用素材をプレス成形して光学素子を得る第２の工程と、を有し、
   前記第２の工程において、前記光学素子成形用素材の前記ガラス塊を、複数の前記脚によって前記下型の上に支持することを特徴とする光学素子の成形方法。
2. ガラス塊と、前記ガラス塊と一体に形成された複数の脚と、を備える光学素子成形用素材を成形する第１の工程と、
   凸形状の下型に前記光学素子成形用素材を載置し、前記下型と上型との間で前記光学素子成形用素材をプレス成形して光学素子を得る第２の工程と、を有し、
   前記第２の工程において、前記光学素子成形用素材の前記ガラス塊を、複数の前記脚によって前記下型の上に支持することを特徴とする光学素子の成形方法。
3. 下型と上型との間でプレスされることによって光学素子に成形される光学素子成形用素材であって、
   ガラス塊と、
   前記ガラス塊を前記下型の上に支持するために、前記ガラス塊と一体に形成された複数の脚と、を備えたことを特徴とする光学素子成形用素材。
4. 各脚が、球冠形状を有することを特徴とする請求項３に記載の光学素子成形用素材。
5. 軟化又は溶融状態のガラスを成形型で成形することで、複数の前記脚と前記ガラス塊を一体に形成したことを特徴とする請求項３又は４に記載の光学素子成形用素材。

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