JP5430092B2 - 光学素子の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶融ガラス等から成形された成形用素材をプレス成形することで凹メニスカス形状の光学素子を得る光学素子の成形方法に関するものである。

成形用素材を溶融ガラスから得る技術として、例えば、特許文献１に開示された方法が知られている。この方法は、溶融ガラスを凸形状治具の上に受け、これを反転させ、さらにこのガラス塊を熱変形させた後、精密成形型で精密成形し、レンズ等の光学素子を得ている。溶融ガラスを凸形状治具の上に受けるのは、溶融ガラスと受け治具の界面に発生する真空泡の発生を防止するためであり、ガラス塊を反転した後に熱変形させるのは、溶融ガラスと受け治具の界面に発生するガラスのしわ状の面を滑らかにするためである。

この公知技術において、ガラス塊を反転した後に熱変形させて得られた成形用素材は、凸形状の自由表面からなり、この凸形状の成形用素材を精密成形することで光学素子を得ているが、この光学素子は両凸形状である。また、光学素子の側面部の成形は行なっていない。

特開平４−７７３２０号公報

近年では、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硝材、レンズ形状への展開が進んでおり、凹メニスカス形状の光学素子の開発も盛んである。しかし、凹メニスカス形状の光学素子を製造する際の成形用素材として、以下に示す課題がある。

上記従来例のように、表面が自由表面からなる凸形状の成形用素材を用いると、凹メニスカス形状の光学素子になるまでの変形量が大きいために、成形中にガラスが偏肉するという現象が発生することがある。このため、きれいな軸対称形状の凹メニスカス形状の光学素子を得ることは困難であった。

そこで、成形用素材の形状を成形品である光学素子の形状に近づけることも考えられた。しかし、凹メニスカス形状の成形用素材を、研削研摩加工で作ることは当然可能であるが、その製造コストが高くなり、製品価格競争の厳しい製品への投入は困難である。

凹メニスカス形状の成形用素材を、溶融ガラスからプレス成形で得る技術も検討されたが、溶融ガラスの失透防止のため低粘度での溶融ガラスの流出が必要となる。このため、成形時のガラスの収縮量が大きくなり、凹メニスカス形状のような厚み差の大きな成形品を得る場合は、ガラスの収縮によるヒケが発生する。従って、凹メニスカス形状の成形用素材を溶融ガラスから得ることは困難であった。

また、一方において、近年の成形ガラス光学素子においては、その側面部まで高い形状精度で成形することが求められている。すなわち、従来は特許文献１に開示されたように、成形後に光学素子の側面を研削加工で形成する芯取り加工を行なっていた。しかし、製造コスト削減の観点、及び、研削時に発生する加工屑の発生防止を目的とする環境面の観点から、光学素子の側面部まで高い形状精度で成形し、従来では後工程で行なっていた芯取り加工を行なわない技術の開発が望まれている。

本発明は、凹メニスカス形状の光学素子を、その側面部まで高い形状精度で成形することができる光学素子の成形方法を提供することを目的とするものである。

上述の課題を解決するために、本発明の光学素子の成形方法は、溶融状態の光学材料を、球面形状の成形面を有する第１の凸型と球面形状の成形面を有する第１の凹型により形成されるキャビティーに充填してプレス成形することで、成形用素材を成形する第１工程と、前記成形用素材を第２の凸型と第２の凹型によりプレス成形することで、凹メニスカス形状の光学素子を成形する第２工程と、を有し、前記第２の凸型で成形した光学素子の曲率半径は前記第１の凸型で成形した成形用素材の曲率半径よりも小さく、前記第２の凹型で成形した光学素子の曲率半径は前記第１の凹型で成形した成形用素材の曲率半径よりも大きく、前記第１工程におけるキャビティーの中心部における前記球面形状の成形面に対する法線方向の厚みに対する、キャビティーの中心部における前記球面形状の成形面に対する法線方向の厚みと、前記キャビティーの外周部における前記球面形状の成形面に対する法線方向の厚みとの厚みの差の比率は、１４％以下であることを特徴とする。

キャビティーの厚みが均一に近い成形型を用いて成形用素材を成形することで、冷却時のヒケを低減する。このような成形用素材を用いることで、高屈折率ガラスで、凹メニスカス形状の光学素子を、後工程の芯取り加工を必要とせず、成形のみでその側面部まで高い形状精度で得ることができる。

これによって、光学素子の高品質化、製造コストの削減、さらには環境対策等に大きく貢献できる。

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は一実施形態を説明するもので、本実施形態による光学素子の成形方法は、次の２つの工程からなる。

第１工程では、成形用素材である成形ガラス塊１を成形する。第１工程で用意する成形型は、光学素子の光学面に対応する球面形状の成形面を有する一対の上下型と、光学素子の側面に対応する部位を成形するための円筒状の側面型を有する。

一対の上下型の一方は、凹球面形状の成形面を有する凹球面型（第１の凹型）であり、他方は、凸球面形状の成形面を有する凸球面型（第１の凸型）である。凹球面型と凸球面型で形成されるキャビティーの厚みを、下型の球面形状の成形面に対して法線方向に測定したときに、キャビティーの中心部と外周部とで前記厚みの差が１４％以下になるよう形成されている。

第１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、金属等がある。

第１工程では、溶融ガラスを、上記の成形型に充填し、図１（ａ）に示す成形ガラス塊１を得る。

この工程は、大気雰囲気中で行なっても問題は無い。

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から最適なプロセスが選択されることが望ましい。

第２工程では、第１工程で得られた成形ガラス塊１を、精密成形型で精密成形（プレス成形）し、図１（ｂ）に示す光学素子２を得る。

この第２工程で用いる精密成形型は、光学素子２の側面部も成形できるよう、円筒状の側面型も有することが好ましい。

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から最適なプロセスが選択されることが望ましい。

図１は、本実施例で成形した成形用素材である成形ガラス塊１と、成形品である光学素子２を示す。

光学素子２の形状は、図１（ｂ）に示すように凹メニスカス形状であり、その硝材は、屈折率ｎｄ１．８２の高屈折率のガラスである。具体的な光学素子２の寸法は、直径１２．６ｍｍ、中心高さ１．５ｍｍ、凸面Ｒ４０ｍｍ、凹面Ｒ５ｍｍの凹メニスカスレンズである。

第１工程として、下型の凹球面Ｒ１２．３ｍｍ、上型の凸球面Ｒ９ｍｍ、円筒状の側面型の内径１１．９ｍｍである成形型を用意した。この成形型の中心高さは３．３ｍｍで、成形型の中心部と外周部とで、キャビティーの成形面である下型の凹球面に対する法線方向の厚みが均一になるように形成されている。この成形型は、カーボン材料から作った。

このカーボン製の成形型を用いて図１（ａ）に示す成形ガラス塊１を得た。溶融状態の光学材料である溶融ガラスを１０００℃で流出し、所望重量のガラス塊を得た後、このガラス塊を成形型内に入れて成形した。成形型の温度は常時５００℃に保った。プレス力は２００Ｎであった。なお、この成形は大気中で行なった。得られた成形用ガラス塊１は、内径１１．９ｍｍ、凸面Ｒ１２．２５ｍｍ、凹面Ｒ８．９ｍｍ、中心高さ３．２５ｍであった。

次に、第２工程として、この成形ガラス塊１を精密成形型を用いてプレス成形し、光学素子２を得た。精密成形型は、超硬合金からなっており、光学素子２の側面部も成形できるよう、円筒状の側面型を有し、この部材も超硬合金からなっている。この工程の精密成形は窒素雰囲気で行なった。プレス温度は５６０℃であった。このときのプレス押し代である成形ガラス塊１の中心厚と光学素子２の中心厚との差は、１．８ｍｍであった。光学素子２は、直径１２．６ｍｍ、中心高さ１．５ｍｍ、凸面Ｒ４０ｍｍ、凹面Ｒ５ｍｍの凹メニスカスレンズであった。その側面と光学面の間の稜線部は、曲率半径０．１ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下に形成されていた。

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いるため、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、簡単な工程で高い光学性能を有する光学素子を得られることから、製造コストの低減に大きな効果がある。

図２に示すように、本実施例では、実施例１と同一形状の光学素子を得るために、寸法の異なる成形ガラス塊１１を用いる。

第１工程として、下型の凹球面Ｒ１６．４３ｍｍ、上型の凸球面Ｒ６ｍｍ、円筒状の側面型の内径１１．９ｍｍである成形型を用意した。この成形型の中心高さは２．５ｍｍに調整され、キャビティーの、下型の成形面（凹球面）に対する法線方向の厚みは、その中心部と外周部の差が１４％になるように形成されている。この成形型は、窒化硼素から作った。

この窒化硼素製の成形型を用いて成形ガラス塊１１を得た。溶融ガラスを１０００℃で流出し、所望重量のガラス塊を得た後、このガラス塊を成形型内に入れて成形した。成形型の温度は常時５００℃に保った。プレス力は２００Ｎであった。なお、この成形は大気中で行なった。得られた成形ガラス塊１１は、内径１１．８ｍｍ、凸面Ｒ１６ｍｍ、凹面Ｒ５．５ｍｍ、中心高さ２．４ｍｍであった。成形ガラス塊１１の表面には、深さ２０μｍの凹み状のウネリがあった。

次に、第２工程として、成形ガラス塊１１を精密成形し、光学素子を得た。精密成形型は、超硬合金からなり、光学素子の側面部も成形できるよう、円筒状の側面型を有し、この部材も超硬合金からなっている。第２工程の精密成形は窒素雰囲気で行なった。プレス温度は５６０℃であった。このときのプレス押し代である成形ガラス塊１１の中心厚と成形品である光学素子の中心厚との差は、１．０ｍｍであった。光学素子の寸法は、直径１２．６ｍｍ、中心高さ１．５ｍｍ、凸面Ｒ４０ｍｍ、凹面Ｒ５ｍｍの凹メニスカスレンズであった。側面と光学面の間の稜線部は、曲率半径０．１ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下に形成されていた。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を得られることから、製造コストの低減に大きな効果がある。
（比較例）
比較のために、実施例１、２と同一形状の光学素子を得る場合で、成形ガラス塊の寸法が異なるものを用いた。

第１工程として、下型の凹球面Ｒ２１．５３ｍｍ、上型の凸球面Ｒ６ｍｍ、円筒状の側面型の内径１１．９ｍｍの成形型を用意した。この成形型の中心高さは２．３ｍｍに調整されている。この成形型のキャビティーの、下型の成形面（凹球面）に対する法線方向の厚みは、その中心部と外周部の差が３０％になるよう形成されている。この成形型は、窒化硼素から作った。

この窒化硼素製の成形型を用いて成形ガラス塊を得た。溶融ガラスを１０００℃で流出させ、所望重量のガラス塊を得た後、このガラス塊をこの成形型内に入れて成形した。成形型の温度は常時５００℃に保った。プレス力は２００Ｎであった。なお、この成形は大気中で行なった。得られた成形ガラス塊の寸法は、内径１１．８ｍｍ、凸面Ｒ２０ｍｍ、凹面Ｒ５．５ｍｍ、中心高さ２．２ｍであった。この成形ガラス塊の表面には、深さ８０μｍの凹み状のウネリがあった。

次に、第２工程として、この成形ガラス塊を精密成形し、光学素子を得た。精密成形型は、超硬合金からなっている。光学素子の側面部も成形できるよう、円筒状の側面型を有し、この部材も超硬合金からなっている。第２工程の精密成形は窒素雰囲気で行なった。プレス温度は５６０℃であった。このときのプレス押し代、すなわち成形ガラス塊の中心厚と光学素子の中心厚との差は、０．７ｍｍであった。このようにして得られた光学素子の寸法は、直径１２．６ｍｍ、中心高さ１．５ｍｍ、凸面Ｒ４０ｍｍ、凹面Ｒ５ｍｍの凹メニスカスレンズであった。側面部と光学面の間の稜線部は、曲率半径０．１ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下に形成されていた。

しかしながら、ここで得られた光学素子の光学面には、成形ガラス塊の凹み部がガス残りとして残り、光学素子としては使えないものであった。

実施例１を示すもので、（ａ）は成形ガラス塊の断面形状を示す模式断面図、（ｂ）は、成形品である光学素子の断面形状を示す模式断面図である。 実施例２による成形ガラス塊を断面形状の示す模式断面図である。

符号の説明

１、１１ 成形ガラス塊
２ 光学素子

Claims (2)

1. 溶融状態の光学材料を、球面形状の成形面を有する第１の凸型と球面形状の成形面を有する第１の凹型により形成されるキャビティーに充填してプレス成形することで、成形用素材を成形する第１工程と、
   前記成形用素材を第２の凸型と第２の凹型によりプレス成形することで、凹メニスカス形状の光学素子を成形する第２工程と、を有し、
   前記第２の凸型で成形した光学素子の曲率半径は前記第１の凸型で成形した成形用素材の曲率半径よりも小さく、前記第２の凹型で成形した光学素子の曲率半径は前記第１の凹型で成形した成形用素材の曲率半径よりも大きく、
   前記第１工程におけるキャビティーの中心部における前記球面形状の成形面に対する法線方向の厚みに対する、キャビティーの中心部における前記球面形状の成形面に対する法線方向の厚みと、前記キャビティーの外周部における前記球面形状の成形面に対する法線方向の厚みとの厚みの差の比率は、１４％以下であることを特徴とする光学素子の成形方法。
2. 前記第２工程において、前記成形用素材を、第２の凸型と第２の凹型に加えて、円筒状の側面型とによりプレス成形す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。

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