JP6976950B2 - プレス成形用ガラス素材及びこれを用いた光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プレス成形用ガラス素材及びこれを用いた光学素子の製造方法に関し、より具体的には、少なくとも光学機能面となる部位の表面が自由表面で形成されたプレス成形用ガラス素材及びこれを用いた光学素子の製造方法に関する。

従来、光学素子をプレス成形で製造する際に使用するプレス成形用ガラス素材としては、例えば特許文献１に記載されるようなものがある。この特許文献１に記載のプレス成形用ガラス素材は、熔融ガラスを球面状の受け型に受け、受け面からガスを噴出して熔融ガラスを浮上させた状態で保持してガラス素材を成形する、いわゆる浮上成形で形成される。このため、この方法で製造されたプレス成形用ガラス素材は、受け型の曲率半径とほぼ同じ曲率半径の曲面で形成される下面を有するとともに、全面が滑らかな自由表面で形成される。

特開平１１−１７１５６５号公報

ところで近年では、レンズの適用分野が広がってきており、これに伴ってレンズの形状や大きさの多様化が進んでいる。例えば画像識別センシングの分野では、強い歪曲によって中心は望遠、周辺は広角という特殊な射影方式のカメラへの要求が高まっており、そのようなカメラの最も物点側に配置される第１レンズとして用いられる非球面レンズでは、厚肉でレンズ全体の体積が大きい一方で、近軸の曲率半径が小さい等、複雑な形状が求められている。

しかしながら、従来の形状のプレス成形用ガラス素材では、ガラス素材の体積を大きくすると下面（受け型に対向する面）の曲率半径も大きくなるが、このような従来の形状のプレス成形用ガラス素材を、近軸の曲率半径が小さい非球面レンズにプレス成形すると、プレス成形用ガラス素材とプレス用金型との間にガスが溜まってしまうガストラップが発生し、良好な形状品質の成形品を得ることができない。
本発明の目的は、体積が大きく形状が複雑な非球面レンズをプレス成形することができるプレス成形用ガラス素材及びこれを用いた光学素子の製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のプレス成形用ガラス素材は、少なくとも成形後に一対の光学機能面となる部位の表面が自由表面で形成されるとともに、回転軸を中心とする回転体形状を有し、回転軸方向における一方の光学機能面となる部位の表面である第１の表面が外方に向かって凸状に形成され、第１の表面は、中心部が、プレス成形用ガラス素材と同じ体積の球の半径より小さい第１の曲率半径を有し、中心部の周囲に中心部に隣接して配置された周辺部は、第１の曲率半径よりも大きい第２の曲率半径を有する、ことを特徴としている。

このように構成された本発明においては、プレス成形用ガラス素材の少なくとも成形後に一対の光学機能面となる部位の表面が自由表面であるので滑らかな表面のガラス素材が得られる。また、プレス成形用ガラス素材の第１の表面の中心部が同じ体積の球の半径よりも小さい第１の曲率半径を有し、周辺部が第１の曲率半径よりも大きい第２の曲率半径を有するので、比較的大きな体積のプレス成形用ガラス素材であっても、中心部の曲率半径が比較的小さくなるとともに滑らかに連続した全体形状が得られる。したがって、プレス成形用ガラス素材を、例えば近軸の曲率半径が比較的小さい形状のレンズにプレス成形する場合であっても、中心部にガストラップが発生することなくプレス成形が行われるとともに、プレス成形する際の成形型の隅々までプレス成形用ガラス素材が行き渡って形状精度の高い光学素子が得られる。よって、厚肉で複雑な形状の非球面レンズを成形する場合であっても良好な品質の成形品が得られる。

本発明の一実施形態に係るプレス成形用ガラス素材の回転軸を含む断面形状を示す図である。 本発明の一実施形態に係るプレス成形用ガラス素材の体積と中心部の曲率半径との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係るプレス成形用ガラス素材をプレス成形した光学素子の断面形状の一例を示す図である。 本発明の比較例１のプレス成形用ガラス素材の断面形状を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明する。
なお、本明細書において、プレス成形用ガラス素材とは、主に精密プレス成形に用いられるガラス素材であって、いわゆるプリフォームを指す。
また、本明細書において、自由表面とは、熔融ガラスが金型等の他の部材に接触することなく固化した際の表面を指すものとし、他の部材の一部が転写された面や研磨・研削等の機械加工が施された面は含まない。

図１は、本発明の一実施形態に係るプレス成形用ガラス素材１（以下、単に「ガラス素材１」という）の回転軸を含む断面形状を示す図である。ガラス素材１は、少なくとも光学機能面となる部位の表面が自由表面で形成されるとともに、回転軸Ａを中心とする回転体形状を有し、回転軸Ａ方向の一方の面（下面６）が外方に向かって凸状に形成され、一方の面（下面６）は、中心部８が、ガラス素材１と同じ体積の球の半径より小さい第１の曲率半径Ｒ１を有し、中心部８の周囲に隣接して配置された周辺部１０は、第１の曲率半径Ｒ１よりも大きい第２の曲率半径Ｒ２を有する。また、回転軸Ａ方向の他方の面（上面４）の曲率半径Ｒ７は、下面６の曲率半径Ｒ１よりも大きくなっている。

なお、光学機能面とは、光学レンズ等の光学素子における有効径内の領域を意味するものである。ガラス素材１における光学機能面となる部位は、光学素子の形状や機能によって様々に異なるが、少なくとも光軸（回転軸A）の中心およびその周辺領域は光学機能面となりうる。

以下、本実施形態にかかるガラス素材１について、さらに詳細に説明する。図１に示すように、ガラス素材１は、少なくともプレス成形後に一対の光学機能面となる部位の表面が自由表面で形成されるとともに、回転軸Ａを中心とする回転体形状を有し、回転軸Ａに沿って図１の下から徐々に回転軸Ａを中心とする直径が大きくなり、最大直径位置２において最大直径Ｄ１を有し、その後再び徐々に直径が小さくなる。このような形状により、最大直径位置２よりも上側の上面４は、外方、つまり上側に向かって湾曲する凸状に形成されている。また、最大直径位置２よりも下側の下面６は、外方、つまり下側に向かって湾曲する凸状に形成されている。なお、図１において、Ｓ１は上面４側の光学機能面となる部位であり、Ｓ２は下面６側の光学機能面となる部位である。また、４ａおよび６ａは、それぞれ光学機能面となる部位の表面を示しており、６ａは第１の表面であり、４ａは第２の表面である。この光学機能面となる部位の表面４ａ、６ａ以外の表面は、ガラス素材１をプレス成形した後に芯取加工により除去されたり、除去されない場合であっても光学的に機能しない面となるため、必ずしも自由表面でなくてもよい。なお、本実施形態では、ガラス素材１の全面が自由表面で形成されている。

下面６は、回転軸Ａ近傍の中心部８と、中心部８の周囲に隣接して配置された周辺部１０とを有する。
図２は、本発明の一実施形態に係るガラス素材１の体積Ｖと中心部８の曲率半径Ｒ１との関係を示す図である。この図２では、横軸を曲率半径ｒとし、縦軸を体積Ｖとし、体積に対する、その体積を有する球体の曲率半径（半径）の関係を曲線Ｃで示している。本実施形態のガラス素材１の中心部８の曲率半径Ｒ１は、この曲線Ｃよりも左側の、斜線を施した領域内に位置するように設定される。つまり、本実施形態のガラス素材１の中心部８の曲率半径Ｒ１は、ガラス素材１と同じ体積Ｖのガラス素材を球状に形成したときの半径よりも小さく設定されている。なお、図２中の■は実施例におけるガラス素材の体積と曲率半径との関係を示したものであり、○は比較例１におけるガラス素材の体積と曲率半径との関係を示したものであり、●は、比較例２におけるガラス素材の体積と曲率半径との関係を示したものである。これらについては後述する。
また、ガラス素材１においては、周辺部１０の曲率半径Ｒ２は、中心部８の曲率半径Ｒ１よりも大きく設定されている。

このように、ガラス素材１は、このガラス素材１をプレス成形して光学素子を成形したときに光学素子の光学機能面を形成することになるガラス素材１の表面（第１の表面６ａおよび第２の表面４ａ）が、少なくとも自由表面で形成される。自由表面とは、上述のように熔融ガラスが金型等の他の部材に接触することなく固化した際の表面を指すものであり、算術平均粗さＲａが１０^-3μｍ以下（１ｎｍ以下）の極めて平滑な面である。この算術平均粗さＲａは、ガラス素材１をプレス成形した後の表面平滑性を得る観点から、０．７ｎｍ以下であることが好ましく、０．５ｎｍ以下であることが一層好ましい。

さらに、ガラス素材１は、回転軸Ａを中心とする回転体形状を有し、回転軸Ａ方向の一方の面、すなわち下面６が外方に向かって凸状に形成され、下面６は、中心部８が、同じ体積の球の半径より小さい第１の曲率半径Ｒ１を有し、中心部８の周囲に中心部８に隣接して配置された周辺部１０は、第１の曲率半径Ｒ１よりも大きい第２の曲率半径Ｒ２を有する。
なお、第１の曲率半径Ｒ１は、例えば２〜１０ｍｍであり、好ましくは３〜８ｍｍであり、より好ましくは４〜７ｍｍである。また、第２の曲率半径Ｒ２は、例えば５〜３０ｍｍであるが、この範囲に限定されるものではない。

また、ガラス素材１において、最大直径位置２から上面４の最上端、すなわち上面４と回転軸Ａとが交わる点までの距離Ｌ１に対する、最大直径位置２から下面６の最下端、すなわち下面６と回転軸Ａとが交わる点までの距離Ｌ２の比（Ｌ２／Ｌ１）は、１．２〜１．７に設定することが好ましい。この距離Ｌ１に対する距離Ｌ２の比が上記範囲外になると、ガラス素材１をプレス成形用の成形型に載置するときのガラス素材１の安定性が悪くなり、ガラス素材１の回転軸Ａが成形型の中心軸に位置合わせすることが難しくなる。ガラス素材１の回転軸Ａが成形型の中心軸からずれると、プレス成形して得られた光学素子は、偏肉が生じたものとなってしまう。
なお、図１に示すガラス素材１の回転軸Ａ方向の厚みＴは、距離Ｌ１と距離Ｌ２の総和である。

本発明者らは、距離Ｌ１に対する距離Ｌ２の比（Ｌ２／Ｌ１）とガラス素材の安定性との関係性について検証した結果、表１に示すような知見を得た。

なお、表１の安定性評価において、ガラス素材１を下面６を下にした状態で平面に載置したときに、安定性が良好で自立したものを「良好」とし、安定性に欠けガラス素材が横転するなど自立できなかったものを「不安定」とした。

表１から明らかなように、距離Ｌ１に対する距離Ｌ２の比（Ｌ２／Ｌ１）が１．７以下であれば、ガラス素材の安定性は良好であるのに対して、上記比（Ｌ２／Ｌ１）が１．７を超えると不安定になることがわかる。

なお、上記比（Ｌ２／Ｌ１）の下限については、プレス成形時におけるガストラップの発生を抑制する観点から、１．２以上であることか望ましい。

次に、上記のようなガラス素材１の製造方法について説明する。
ガラス素材１は、熔融ガラスを金型に受け、金型の受け面からガスを噴出して熔融ガラスを浮上させた状態で保持してガラス素材を成形する、いわゆる浮上成形によって成形されている。したがって、ガラス素材１は、全面が自由表面で形成されている。

金型は、例えば多孔質材料で形成されている。金型の形状は、金型に供給された熔融ガラスが、浮上ガスによって金型の表面から浮上して支持されたとき、周辺部において金型と熔融ガラスとの距離が最も小さくなり、中心部において金型と熔融ガラスとの距離が最も大きくなるように形成される。また、金型の形状は、金型内で熔融ガラスの表面が受ける浮上ガスの圧力が、周辺部において最も高く、中心部において最も低い圧力分布となるように形成される。

金型は、ターンテーブルの円周上に等間隔に複数個配置され、ターンテーブルは所定角度ずつ回転可能に構成されている。金型の下方には浮上ガス供給源が接続されている。また、金型は、ガラス素材１の形状が歪んだり、割れを生じたり、金型の表面にガラス素材１が接触した場合にガラス素材１が貼り付いたりしないように、ヒーターで加熱され、適正な温度に調整される。

このように構成された金型の下方から浮上ガスを供給すると、浮上ガスが金型から噴出する。金型内に熔融ガラスを所定量供給すると、熔融ガラスは、浮上ガスの圧力で全体が金型から浮き上がり、浮上ガスの圧力、熔融ガラスの表面張力、及び自重のバランスによって、金型の内面に対向してガラス素材１の下面６が形成され、全体として図１のような所定の形状に成形される。
なお、使用されるガラスの材料としては、特に限定されないが、例えばホウ酸及び希土類酸化物を主成分とするホウ酸ランタン系ガラス、リン酸塩を主成分とするリン酸塩ガラス、フッ素及びリン酸塩を主成分とするフツリン酸塩ガラス、ホウケイ酸塩を主成分とするホウケイ酸塩系ガラス等を使用することができる。

熔融ガラスは、金型内で成形されながらターンテーブル上で移動し、外力が加わっても変形しない温度域まで冷却され、ガラス素材１を形成する。その後、ガラス素材１を金型から取り出し、徐冷する。成形したガラス素材１を必要に応じて洗浄してもよいし、また必要に応じて全面にカーボン膜を形成してもよい。このようなカーボン膜は、ガラス素材１を光学素子にプレス成形する際に、ガラスの滑りをよくするとともに成形された光学素子の離型性を高める。

次に、ガラス素材１を用いて光学素子を製造する方法について説明する。図１のような形状に成形されたガラス素材１を、プレス成形用の金型内に収容し金型を加熱し、ガラス素材１を軟化させてプレスし、所定の形状の光学素子を得る。ここで、ガラス素材１の中心部８の曲率半径Ｒ１は、中心部８に対向する位置におけるプレス成形用の金型の曲率半径よりも小さく形成されている。よって、軟化したガラス素材１は、下面６において中心部８からプレス成形用の金型に接触し、徐々に外側に向かって金型の形状が転写され所望の形状に成形される。

図３は、本発明の一実施形態に係るプレス成形用ガラス素材をプレス成形して得られる光学素子の断面形状の一例を示す図である。ガラス素材１をプレス成形した成形体の外周部は、破線で示すような余肉部２６を有するが、この余肉部２６を芯取加工により除去した部分が光学素子１６である。この図３に示す光学素子１６は、中心部１８となる近軸の曲率半径Ｒ３が比較的小さく（例えば曲率半径１０ｍｍ以下）、中心部１８の周囲には軸２０に沿って内方（図３において上方）に凹んだ湾曲部２２が形成されている。また、中心部１８とは反対側の面（図３において上側の面）は、近軸の曲率半径Ｒ４を有し、内方（図３において下方）に凹んだ凹面２３となっている。このように、光学素子１６は、全体として複雑な形状を有し、従来より比較的肉厚に形成される。
なお、ガラス素材１をプレス成形した成形体に冷間加工を施して所定形状の光学素子を得る場合、冷間加工を施す部位や範囲は、光学素子の光学機能面の範囲に応じて異なる。したがって、図３に示した余肉部２６の範囲や形状も様々に異なる。

本実施形態のガラス素材１によれば、次のような効果が得られる。
ガラス素材１の全面が自由表面で形成されるので、滑らかな表面のガラス素材１が得られ、このガラス素材１をプレス成形して光学素子を得たとき、良好な外観及び形状品質の光学素子を得ることができる。

従来のガラス素材は、球形状を有するか、球の半径よりも大きな曲率半径の楕円形状を有しており、ガラス素材全体の体積を大きくするとそれに伴って曲率半径も当然大きくなる。このため、体積を大きくした従来のガラス素材で、例えば複雑な形状の非球面レンズをプレス成形しようとした場合、非球面レンズの近軸の曲率半径が小さいと、ガラス素材の曲率半径がプレス成形用の金型の曲率半径よりも大きくなってガラス素材と金型との間にガスが溜まってしまい、良好な形状の光学素子を得ることができない。
これに対して、本実施形態では、ガラス素材１の下面６の中心部８の曲率半径Ｒ１が、ガラス素材１の体積Ｖと同じ体積を有する球の半径よりも小さく設定されているので、比較的体積の大きいガラス素材１であっても、中心部８の曲率半径Ｒ１を小さく形成することができる。したがって、近軸の曲率半径が小さい肉厚で複雑な形状の光学素子を成形する場合であっても、ガストラップを生じることなく良好な形状の成形品を得ることができる。

ガラス素材１の周辺部１０の曲率半径Ｒ２が、中心部８の曲率半径Ｒ１よりも大きく形成されているので、小さな曲率半径Ｒ１を有する中心部８からより大きな曲率半径Ｒ２を有する周辺部１０へ移行領域が滑らかとなり、全体として連続した滑らかな形状が得られる。

ガラス素材１の最大直径位置２から上面４までの距離Ｌ１に対する、下面６までの距離Ｌ２の比が適切に設定されているので、比較的大きな体積を確保しながら、中央部の第１の曲率半径Ｒ１を比較的小さくすることが可能になり、ガラス素材１を、複雑な形状の非球面レンズにプレス成形する場合であっても、形状不良を発生させることなく良好な品質の光学素子を得ることができる。
また、距離Ｌ１に対する距離Ｌ２の比が適切に設定されているので、ガラス素材１をプレス成形用の金型に載置した際、金型内にガラス素材１を安定して載置することができる。したがって、ガラス素材１の回転軸Ａを金型の中心軸に容易且つ確実に位置合わせすることができ、偏肉等の不具合のない、良好な品質の光学素子を成形することができる。

［実施例］
本発明の実施例について説明する。
上記浮上成形を用いて、体積Ｖが５４７ｍｍ³のガラス素材１を作製した。ガラス素材１の中心部８の曲率半径Ｒ１は、４．２ｍｍとした。このガラス素材１は、図２において、■で示す体積と曲率半径との関係を有し、これは図２の曲線Ｃよりも左側の、斜線領域内にある。また、このガラス素材１は全面が自由表面である。
熔融ガラスの供給・切断方法、熔融ガラスの金型面上での浮上条件等は、公知の方法を用いた。
得られたガラス素材１を加熱して軟化させて精密プレス成形し、図３に示すような断面形状の光学素子１６にプレス成形した。得られた光学素子１６の凸面の中心部１８の曲率半径Ｒ３は４．７ｍｍであり、凹面２３の曲率半径Ｒ４は、２．２ｍｍであった。なお、プレス成形用金型は、光学素子１６の形状に対応する形状に形成されていた。
ガラス素材１を加熱してプレス成形用金型で精密プレス成形した結果、所望の曲率半径Ｒ３，Ｒ４を維持しつつ、所望の肉厚及び径を有する光学素子１６が再現性よく得られた。

［比較例１］
次に、本発明の比較例１について説明する。
図４は、本発明の比較例１のガラス素材２４の断面形状を示す図である。比較例１では、浮上成形を用いて、体積Ｖが２５０ｍｍ³のガラス素材２４を作製した。ガラス素材２４の中心部の曲率半径Ｒ５は、４．５ｍｍとした。このガラス素材２４は、図２において、○で示す体積と曲率半径との関係を有し、これは図２の曲線Ｃよりも右側の、斜線領域の外にある。
ガラス素材２４を加熱してプレス成形用金型で精密プレス成形した結果、特に所望の肉厚及び径が得られず、実施例に比べて、光学素子の形状精度が著しく悪化していた。

［比較例２］
次に、本発明の比較例２について説明する。
比較例２では、体積５５０ｍｍ³の球状のガラス素材２４を冷間加工で作製した。得られた球状のガラス素材の半径は、５．１ｍｍであった。このガラス素材は、図２において、●で示す体積と曲率半径との関係を有し、これは図２の曲線Ｃ上にある。得られたガラス素材を、実施例と同じ精密プレス成形用金型で精密プレス成形したところ、光学素子１６の中心部１８にガストラップが発生した。これは、光学素子１６の中心部１８の曲率半径Ｒ３は４．７ｍｍであるのに対して、ガラス素材の半径が５．１ｍｍであるため、ガラス素材とプレス成形用金型との間にガスが溜まったためと考えられる。

以上のように、本発明によるガラス素材１では、実施例のように良好な形状の光学素子が得られた。一方、比較例１及び２に記載した従来のガラス素子では、ガストラップが発生し、良好な形状の光学素子が得られなかった。

１ プレス成形用ガラス素材
４ 上面
４ａ 光学機能面となる部位の表面（第２の表面）
６ 下面
６ａ 光学機能面となる部位の表面（第１の表面）
８ 中心部
１０ 周辺部
Ｒ１，Ｒ２ 曲率半径
Ｄ１ 最大直径
Ｔ 厚み
Ｌ１，Ｌ２ 距離
Ｓ１，Ｓ２ 光学機能面となる部位

Claims (5)

1. プレス成形用ガラス素材において、
   少なくとも成形後に一対の光学機能面となる部位の表面が自由表面で形成されるとともに、回転軸を中心とする回転体形状を有し、
   前記回転軸方向における一方の前記光学機能面となる部位の表面である第１の表面が外方に向かって凸状に形成され、前記第１の表面は、中心部が、前記プレス成形用ガラス素材と同じ体積の球の半径より小さい第１の曲率半径を有し、
   前記中心部の周囲に前記中心部に隣接して配置された周辺部は、前記第１の曲率半径よりも大きい第２の曲率半径を有する、
   プレス成形用ガラス素材。
2. 前記回転軸を中心とする前記プレス成形用ガラス素材の直径が最大となる位置から、他方の前記光学機能面となる部位の表面である第２の表面側の端部までの前記回転軸に沿った距離に対する、前記直径が最大となる位置から前記第１の表面側の端部までの前記回転軸に沿った距離の比は、１．２〜１．７である、
   請求項１に記載のプレス成形用ガラス素材。
3. 前記自由表面の算術平均粗さＲａは１ｎｍ以下である、請求項１または２に記載のプレス成形用ガラス素材。
4. 前記第一の曲率半径は、２〜１０ｍｍである、請求項１〜３の何れか１項に記載のプレス成形用ガラス素材。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のプレス成形用ガラス素材を加熱してプレス成形するプレス成形工程を備えている、光学素子の製造方法。

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