JP6342666B2 - ガラスレンズ用成形型、及び、ガラスレンズの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスレンズ用成形型、及び、ガラスレンズの製造方法に関し、特に、凹形状面を有する第１型と凸形状面を有する第２型とを備えたガラスレンズ用成形型、及び、この成形型を用いたガラスレンズの製造方法に関する。

一面が凸形状で、他面が凹形状の光学素子（ガラスレンズ）を製造する方法の一つに、凸型形状の成形面を有する上型と、凹型形状の成形面を有する下型とを備えた成形型によりプリフォームをプレス成形する方法がある。

このような、凸型形状の成形面を有する上型と、凹型形状の成形面を有する下型とを備えた成形型に関し、例えば、特許文献１（特開２００５−３３６０５０号公報）には、上型及び下型の外周に設けられた案内型（胴型）を相対移動可能な筒状下案内型と、筒状上案内型とにより構成し、筒状上案内型に下方に向かって外方へ広がるような円錐台環面を設けた構成の成形型が開示されている。

引用文献１に記載された成形型によれば、冷却時においてプリフォームの外周部が円錐台環面により規制されるため、冷却時における収縮の偏りを低減し、収縮による歪を均等にすることができる。

ところで、このような成形型を用いてガラスレンズを成形する際に、下型の凹状成形面上にプリフォームを配置し、上型を下降させてプリフォームを加圧し、プリフォームを凸型形状の成形面に沿わせようとすると、凸型形状の成形面の中央部分が先行してプリフォームに接触する。この状態で加圧を続けると、凸型形状の成形面の頂部からプリフォームに加えられる圧力により、プリフォームの外周部が上方に向かって湾曲し、外周部と中央部の間の部分よりも先に凸型形状の成形面に接触してしまう。このような場合には、プリフォームと凸型形状の成形面との間に気体が封入されてしまうガストラップが発生してしまい、光学素子の光学性能を著しく損ねる。

そこで、ガストラップの発生を防止するべく、特許文献２（特開２００８−１８４３６７号公報）には、凹型形状の成形面を有する第１型部材と、凸型形状の成形面を有する第２型部材と、第２型部材の外周に設けられ、第１型部材と対向する面を有し、第２型部材と同じ方向に移動可能な外周部材と、第１型部材及び第２型部材によりプリフォームを成形する際に、外周部材によりプリフォームの外周部を押圧するように制御する制御部とを備えた成形装置が開示されている。

特開２００５−３３６０５０号公報 特開２００８−１８４３６７号公報

しかしながら、特許文献２に記載された装置では、成形型を構成する部材数が多く、特に胴型が複数の部材で構成されているため、上型と下型の位置を十分に固定することができずレンズの偏心精度が低下するという問題がある。
さらには、特許文献２に記載された装置では、第１型部材及び第２型部材と並行して外周部材の移動も制御しなければならず、成形型の構成及び移動を制御するための設備が複雑化するという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みなされたものであり、プレス成形の際に偏心精度が低下することなく簡単な構成でガストラップの発生を防止することを目的とする。

本発明は、凹形状面を有する第１型と、凸形状面を有し、凸形状面の中心軸と凹形状面の中心軸とが一致し、かつ、凸形状面と凹形状面とが対向するように配置された第２型と、第１型及び第２型の径方向外方に設けられ、第１型と第２型の間の中心軸に対する直交方向の相対移動を規制する筒状の胴型と、を備え、胴型の内周には、第２型から第１型の方向に向かって拡がるテーパ面が設けられ、加圧により第１型と第２型とが押し込み限界まで近接した所定位置において、テーパ面の第２型側の縁部が、第２型の凸形状面の外周縁に対して第１型側に位置する。

このような構成の本発明によれば、加圧時にプリフォームの中心部が凸形状面により加圧されても、プリフォームの外周部は胴型のテーパ面に当接するため、プリフォームの外周部が湾曲することを防止できる。このため、プリフォームの外周部が先行して第２型の凸形状面に当接しガストラップが発生することを防止できる。さらに、本発明の胴型は単一の部材により構成できるため、第１型及び第２型の中心軸に対して垂直な方向への相対移動を確実に拘束することができ、これによりレンズの偏心精度が低下することを防止できる。

本発明によれば、プレス成形の際に偏心精度が低下することなく簡単な構成でガストラップの発生を防止できる。

プレス時における第１実施形態の成形型の構成を示す鉛直断面図である。 図１におけるＩＩ部を拡大して示す拡大断面図である。 プレス時における図１のＩＩ部を拡大して示す拡大断面図である。 比較例として、胴型に形成されたテーパ面の上端側の縁が、プレス時において上型の成形面の外周縁よりも下方に位置するように形成された成形型におけるプレス時の様子を示す鉛直断面図である。 発明者らが行った実験で用いた従来の成形型を示す鉛直断面図である。

以下、本発明のガラスレンズ用成形型、及び、この成形型を用いたガラスレンズの製造方法の一実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、第１実施形態のプレス時における成形型の構成を示す鉛直断面図である。また、図２は、図１におけるＩＩ部を拡大して示す拡大断面図である。図１に示すように、本実施形態の成形型１は、例えば、ＳＵＳ等の耐熱性及び耐腐食性を有する金属から形成され、凸形状の成形面２Ａを有する上型２と、凹形状の成形面４Ａを有する下型４と、上型２及び下型４の移動を案内する胴型６とを備える。これら上型２及び下型４は、上型２の成形面２Ａの中心軸と、下型４の成形面４Ａの中心軸とが一致し、かつ、上型２の成形面２Ａ及び下型４の成形面４Ａが対向するように配置されている。上型２及び下型４は中心軸Ｏを中心とした回転体形状を呈しており、胴型６は円筒状を呈している。

上型２は、球面状の成形面２Ａを含む下部１０と、下部１０の上縁から連続して延びる円柱状の中間部１２と、中間部１２よりも大径の円柱状の上部１４とを有する。なお、以下の説明において、上型２の成形面２Ａの曲率半径をｒ２とする。

下型４は、外周面が胴型６の外周面と略等しい径である円柱状に形成された基部２０と、基部２０から上方に向かって立ち上がる上部２２とを有する。上部２２の上面には球面状の凹部が形成されており、この凹部が成形面４Ａとして機能する。また、基部２０の成形面４Ａの周囲には、環状の平坦面４Ｂが形成されている。なお、以下の説明において下型４の成形面４Ａの曲率半径をｒ１とする。

胴型６は、下方から順に、内径がそれぞれ異なる下部３０と、円錐台状部３２と、中間部３４と、上部３６とを備える。
下部３０は、下型４の上部２２の外径と等しい内径を有する円筒状の部分である。組み立てられた状態において、この下部３０の下面が、下型４の基部２０の上面の外周部と当接するとともに、下部３０の内周面が下型４の上部２２の外周面と当接している。これにより、下型４及び胴型６は、中心軸に対して垂直な方向の相対移動が規制される。

円錐台状部３２は、下部３０の上方に位置し、下型４に向かって内径が拡がるような円錐台面状のテーパ面３２Ａが内周に形成された部分である。円錐台状部３２のテーパ面３２Ａの内径は、下端において下部３０の内径と等しく、上端において中間部３４の内径と等しくなるよう、連続的に変化している。

また、プレス時には、成形型１をプレス装置の下方のステージ上に載置した状態で、プレス装置の上方のステージを下降させることにより上型２の上面を押圧し、下型４の成形面４Ａと上型２の成形面２Ａとの間隔が所望のガラスレンズの肉厚と等しくなるまで、上型２を下型４に向かって近接させる。胴型６の長さは予め調整されており、このように下型４の成形面４Ａと上型２の成形面２Ａとの間隔が所望のガラスレンズの肉厚と等しくなった状態で、上方のステージが胴型６の上部３６の上面に当接し、それ以上、上型２が下型４に向かって近接しないように移動を規制する。本明細書では、このように上型２及び下型４が、これらの成形面２Ａ、４Ａの間隔が所望のガラスレンズの肉厚と等しくなるまで近接した状態を押し込み限界という。図２に示すように、このようにプレスにより上型２及び下型４が押し込み限界まで近接した位置において、テーパ面３２Ａの上端側の縁Ａは、上型２の成形面２Ａの外周縁よりも下方に位置している。

中間部３４は、円錐台状部３２の上方に位置し、内径が上型２の中間部１２の外径と等しい部分である。組み立て状態において、この中間部３４の内周面は上型２の中間部１２の外周面と当接している。これにより、上型２及び胴型６は、中心軸に対して垂直な方向の相対移動が規制される。また、中間部３４の上端は、プレス時において、胴型６の中間部３４の内側上面と、上型２の上部１４の外側下面との間には隙間３８が形成されるような高さ位置となっている。
上部３６は、中間部３４の上方に位置し、内径が上型２の上部１４の外径と等しい部分である。

また、胴型６には、異なる３つの高さ位置に、下方の通気口４０、中央の通気口４２、及び上方の通気口４４が水平方向に放射状に延びるように形成されている。
下方の通気口４０は、プレス時において、内側の端部が下型４の成形面４Ａと上型２の成形面２Ａとの間の空間の下方位置に開口するような高さに設けられている。

また、中央の通気口４２は、円錐台状部３２の上端の高さに設けられており、その内側の端部は、プレス時において、内側端部が下型４の成形面４Ａと上型２の成形面２Ａとの間の空間の上方位置に開口している。

また、上方の通気口４４は、胴型６の中央部３４の上端の高さに設けられており、内側端部が上部３６の内周面と中間部３４の上面との隅角部に開口している。

なお、本実施形態では、下型４の凹形状の成形面４Ａは、外周縁の直径Ｄに対する成形面４Ａの深さΔｈ（すなわち、成形面４Ａの頂点から外周縁までの中心軸Ｏに沿った長さ）の比が０．１５以上の値となるような球面形状である。後述するように、比Δｈ／Ｄが０．１５以上である場合にガストラップが生じやすく、成形面４Ａがこのような条件を満たす場合に、本発明は好適である。

また、本実施形態では、下型４の成形面４Ａの曲率半径ｒ１及び上型２の成形面２Ａの曲率半径ｒ２は、これらの比ｒ２／ｒ１が１／４以上、かつ、２以下となるような値である。後述するように、比ｒ２／ｒ１が１／４以上、かつ、２以下である場合に、ガストラップが生じやすいため、成形面２Ａ及び成形面４Ａがこのような条件を満たす場合に、本発明は好適である。なお、ここでいう曲率半径とは、成形面が球面形状である場合にはその球面の曲率半径をいい、成形面が非球面である場合には、中心軸における表面の曲率半径（近軸半径）をいう。

以下、上記説明した成形型１を用いて、プリフォームをプレス成形し、ガラスレンズを製造する方法を説明する。なお、図３は、プレス時における図１のＩＩ部を拡大して示す拡大断面図である。
まず、成形型１の上型２を取り外し、下型４の成形面４Ａ上にプリフォームを配置し、上型２を再び胴型６内に取り付ける。

次に、成形型１をヒーターにより、成形型１内のガラスプリフォームの温度がガラス粘度で１０⁶〜１０¹¹ｄＰａ・ｓに相当する温度まで加熱する。好ましくは、ガラスプリフォームが屈伏点温度Ｔｓよりも１０〜３０℃程度高くなるまで加熱する。

次に、成形型１をプレス装置により上下方向から押圧する。成形型１を押圧すると、上型２の上面と、胴型６の上面とが同じ高さとなるまで上型２が下降する。この際、上型２の成形面２Ａと下型４の成形面４Ａとの間の空気は中央の通気口４２及び下方の通気口４０から成形型１外へと排出され、かつ、上型２の上部１４の外周部下面と胴型６の中間部３４の内周部上面との間の隙間３８の空気は上方の通気口４４から外部へ排出される。これにより、上型２が下降することによる成形型１内の空間内の圧力上昇を抑えることができる。

そして、上型２が下降すると、上型２の成形面２Ａの中央部がプリフォームに先行して接触する。この状態でさらに押圧を続けると、プリフォームの外周部が上方に向かって湾曲する。しかしながら、本実施形態の成形型１では、胴型６にテーパ面３２Ａが形成され、このテーパ面３２Ａがプレス時において、上端側の縁Ａが上型２の成形面２Ａの外周縁よりも下方に位置するように形成されている。このため、図３に示すように、プリフォーム５０の外周部が胴型６のテーパ面３２Ａに当接し、上方及び側方への湾曲が拘束される。

このようにプリフォーム５０の外周部がテーパ面３２Ａに拘束された状態で、さらに上型２が下降すると、プリフォーム５０は上型２の成形面２Ａの中央部から外周に向かって順次、上型２の成形面２Ａと当接することとなる。このため、上型２の成形面２Ａとプリフォーム５０との間にガストラップが発生するのを防止できる。

また、本実施形態では、下型４の成形面４Ａの周囲に環状の平坦面４Ｂが形成されており、プレス時に平坦面４Ｂの上方に空間（図３において、円IIIで囲まれた領域）が生じる。このような空間があることにより、プリフォーム５０に体積のばらつきがある場合であっても、上型２及び下方４の成形面２Ａ、４Ａと当接する部分に影響を及ぼすことなく、プリフォーム５０の体積ばらつきを吸収することができる。すなわち、例えば、プリフォーム５０の体積が大きい場合には、プレス時にプリフォーム５０の外周縁下端が、この空間内により外周側へ進出し、プリフォーム５０の体積が小さい場合には、プリフォーム５０の外周縁の平坦面４Ｂ上の空間への進出が少なくなるが、プリフォーム５０を上型２及び下方４の成形面２Ａ、４Ａの全面に当接させることができる。

なお、中央の通気口４２は円錐台状部３２の上端の高さに設けられ、また、下型４の成形面４Ａと上型２の成形面２Ａとの間の空間の下方位置に開口するような高さ位置に設けられているため、プリフォーム５０の上側の空気は中央の通気口４２から排出され、プリフォーム５０の下側の空気は下方の通気口４０から排出される。

ここで、比較例として、図４に、胴型６に形成されたテーパ面３２Ａの上端側の縁Ａ´が、プレス時において上型２の成形面２Ａの外周縁Ｂ´よりも上方に位置するように形成された成形型におけるプレス時の様子を示す。同図に示すように、比較例の成形型では、テーパ面３２Ａの上端側の縁Ａ´が上型２の成形面２Ａの外周縁Ｂ´よりも上方に位置するため、プレス時にプリフォーム５０の外周部が上方に向かって湾曲した場合であっても、テーパ面１３２Ａにプリフォーム５０の外周部が当接しない。このため、上型２の成形面２Ａの中央部がガラスプリフォームに当接した状態で上型２を下降させると、プリフォーム５０の外周部が、中央部と外周部の間の部分よりも先に上型２の成形面２Ａに当接してしまい、ガストラップ６０が発生してしまう。

次に、プレス成形が完了した後、成形型１及び成形型１内のプリフォーム５０を冷却する。そして、プレス成形が完了したプリフォーム（すなわち、ガラスレンズ）を成形型１から取り出す。

成形型１からガラスレンズを取り出す際には、まず、上方の通気口４４から隙間３８内に圧縮空気を導入する。この隙間３８に導入された圧縮ガスにより上型２が上方へ持ち上げられる。さらに、上型２を上昇させるとともに、中央の通気口４２から圧縮空気を送り込む。

上型２が上方へ持ち上げられる際、ガラスレンズが上型２の成形面２Ａに密着し、ガラスレンズが上型２とともに持ち上げられることがある。これに対して、本実施形態では、胴型６にテーパ面３２Ａが形成され、このテーパ面３２Ａが上端側の縁Ａが上型２の成形面２Ａの外周縁よりも下方に位置するように形成されている。このため、テーパ面３２Ａによりガラスレンズの外周部が押えられ、ガラスレンズの上型２の成形面２Ａからの剥離が促進される。さらに、中央の通気口４２から圧縮空気が送り込まれることにより、上型２の成形面２Ａとガラスレンズとの間の空間が高圧になり、ガラスレンズの上型２の成形面２Ａからの剥離がより促進される。

ここで、発明者らは、凹形状の成形面を有する下型と、凸形状の成形面を有する上型とを備えた成形型の形状とガストラップの発生との関連を調べるための実験を行ったので、以下説明する。図５は発明者らが行った実験で用いた従来の成形型を示す鉛直断面図である。本実験では、図５に示すような、従来より用いられていた円筒状の胴型１０６と、凹形状の成形面１０４Ａを有する下型１０４と、凸形状の成形面１０２Ａを有する上型１０２とを備えた成形型１０１を用いて実験を行った。

本実験では、下型１０４の凹形状の成形面１０４Ａの外周縁の直径Ｄに対する、成形面１０４Ａの深さΔｈ（すなわち、成形面１０４Ａの頂点から外周縁までの中心軸Ｏに沿った長さ）の比と、下型１０４の凹形状の成形面１０４Ａの曲率半径ｒ１に対する上型１０２の凸形状の成形面１０２Ａの曲率半径ｒ２の比とをパラメータとして変化させてガストラップの発生の有無を調べた。実験結果を表１に示す。

なお、表１において、○はガストラップが発生した場合を、×はガストラップが発生しなかった場合を示す。

表１においてΔｈ／Ｄに着目すると、ガストラップは、下型１０４の凹形状の成形面１０４Ａの外周縁の直径Ｄに対する、成形面１０４Ａの深さΔｈの比が０．１５以上である場合に発生している。また、ｒ２／ｒ１に着目すると、下型１０４の凹形状の成形面１０４Ａの曲率半径ｒ１に対する上型１０２の凸形状の成形面１０２Ａの曲率半径ｒ２の比が１／４以上、かつ、２以下である場合に発生している。

すなわち、本発明は、一方の型が凹形状の成形面を有し、他方の型が凸形状の成形面を有する成形型において、凹形状の成形面の外周縁の直径Ｄに対する、成形面の深さの比が０．１５以上である場合、及び、一方の型の凹形状の成形面の曲率半径ｒ１に対する他方の型の凸形状の成形面の曲率半径ｒ２の比が１／４以上、かつ、２以下である場合に好適であることがわかった。

以上説明したように、本実施形態によれば、胴型６にテーパ面３２Ａが形成され、このテーパ面３２Ａがプレス時において、上端側の縁Ａが上型２の成形面２Ａの外周縁よりも下方に位置するように形成されている。これにより、プレス時にプリフォーム５０の外周部が湾曲すると、このプリフォーム５０の外周部が胴型６のテーパ面３２Ａに当接し、上型２の凸形状の成形面２Ａの中央部がプリフォーム５０に当接した状態で上型２を下型４に向けて下降させても、プリフォーム５０の外周部が上方に湾曲することを防止できる。このため、プリフォーム５０の外周部が先行して上型２の成形面２Ａに当接しガストラップが発生することを防止できる。

また、本実施形態では、上型２及び下型４を案内する胴型６が単一の部材から構成されているため、上型２及び下型４の中心軸に対して垂直な方向への相対移動を拘束することができる。これにより、レンズの偏心精度が低下することを防止できる。

また、本実施形態では、下型４の成形面４Ａの曲率半径ｒ１に対する上型２の成形面２Ａの曲率半径ｒ２の比が１／４以上、かつ、２以下である。さらに、外周縁の直径Ｄに対する、成形面４Ａの深さΔｈの比が０．１５以上の値となっている。このような条件を満たす成形型では、特にガストラップが発生しやすい。このため、本発明によれば、このような条件を満たすガストラップの発生しやすい成形型を用いた場合であっても、ガストラップの発生を防止できる。

また、本実施形態では、下型４の成形面４Ａの周囲に環状の平坦面４Ｂが形成されている。これにより、プリフォーム５０の体積にばらつきがある場合であっても、プレス時において、この体積のばらつきを平坦面４Ｂの上方に空間で吸収することができる。

さらに、このように下型４の成形面４Ａの周囲に環状の平坦面４Ｂが形成されていることにより、プレス成形されたガラスレンズの凹形状面側での面径不足を防止できる。

以下、図面を参照しながら、本発明を総括する。
第１実施形態のガラスレンズ用成形型１は、凹形状の成形面４Ａを有する下型４と、凸形状の成形面２Ａを有し、凸形状の成形面２Ａの中心軸と凹形状の成形面４Ａの中心軸とが一致し、かつ、凸形状の成形面２Ａと凹形状の成形面４Ａとが対向するように配置された上型２と、下型４及び上型２の径方向外方に設けられ、下型４と上型２の間の中心軸Ｏに対する直交方向の相対移動を規制する筒状の胴型６と、を備え、胴型６の内周には、上型２から下型４の方向に向かって拡がるテーパ面３２Ａが設けられ、加圧により下型４と上型２とが押し込み限界まで近接した所定位置において、テーパ面３２Ａの上型２側の縁部が、上型２の凸形状の成形面２Ａの外周縁に対して下型４側に位置する。

１ 成形型
２ 上型
２Ａ 凸形状の成形面
４ 下型
４Ａ 凹形状の成形面
４Ｂ 平坦面
６ 胴型
１０ 下部
１２ 中間部
１４ 上部
２０ 基部
２２ 上部
３０ 下部
３２Ａ テーパ面
３４ 中間部
４０ 下方の通気口
４２ 中間の通気口
４４ 上方の通気口
５０ プリフォーム

Claims (4)

1. 凹形状面を有する第１型と、
   凸形状面を有し、前記凸形状面の中心軸と前記凹形状面の中心軸とが一致し、かつ、前記凸形状面と前記凹形状面とが対向するように配置された第２型と、
   前記第１型及び第２型の径方向外方に設けられ、前記第１型と前記第２型の間の前記中心軸に対する直交方向の相対移動を規制する筒状の胴型と、を備え、
   前記胴型の内周には、前記第２型から前記第１型の方向に向かって拡がるテーパ面が設けられ、
   加圧により前記第１型と前記第２型とが押し込み限界まで近接した所定位置において、前記テーパ面の前記第２型側の縁部が、前記第２型の凸形状面の外周縁に対して前記第１型側に位置する、ガラスレンズ用成形型。
2. 前記第１型の凹形状面は前記中心軸を中心とした回転面状であり、
   前記凹形状面の外周縁の直径Ｄに対する、前記凹形状面の頂点から前記凹形状の外周縁までの前記中心軸方向の距離Δｈの比が０．１５以上である、請求項１記載のガラスレンズ用成形型。
3. 前記第１型の凹形状面は第１の曲率半径ｒ１を有し、
   前記第２型の凸形状面は第２の曲率半径ｒ２を有し、
   前記第１の曲率半径に対する前記第２の曲率半径の比が１／４以上、かつ、２以下である、請求項１又は２に記載のガラスレンズ用成形型。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のガラスレンズ用成形型を用いて、被成形体をプレス成形する、ガラスレンズの製造方法。

Images