JP7422690B2

JP7422690B2 - ガラス製成形型の製造方法および光学素子の製造方法

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Publication number: JP7422690B2
Application number: JP2021002151A
Authority: JP
Inventors: 裕己倉澤; 浩一佐藤; 幸一郎白石
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2024-01-26
Anticipated expiration: 2041-01-08
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Description

本発明は、ガラス製成形型の製造方法および光学素子の製造方法に関する。

レンズ等の光学素子の製造方法として、被成形素材を成形型によってプレス成形する方法が広く用いられている。かかる製造方法に使用可能な成形型として、特許文献１にはガラス製成形型が開示されている。

特開２０１９－１２７４２５号公報

従来、光学素子の製造のためには、金属製やセラミックス製の成形型が用いられていた。金属やセラミックスから成形型を作製する方法としては、通常、切削、研削等の機械加工を行い母材から成形型を削り出す方法が採用される。しかし、そのような機械加工によって光学素子の製造に使用可能な成形面を有する成形型を作製するためには、多くのコストと時間を要する。

これに対し、ガラス製の成形型については、加熱して軟化させたガラス素材をマスター型によりプレス成形することによって、マスター型の面形状が転写された成形型を製造することができる。所望の面形状を有するマスター型を準備し、そのマスター型の面形状をガラス素材に精度よく転写できれば、光学素子の製造に使用可能な成形面を有する成形型を量産することは容易である。他方、ガラス製成形型を用いて実際に被成形素材をプレス成形して光学素子として提供するにあたり、マスター型の面形状をガラス製成形型に高い精度で転写できなければ、求められる光学性能を有する光学素子を作製することは困難である。

以上に鑑み、本発明の一態様は、マスター型の面形状を高い精度で転写してガラス製の成形型を製造することが可能なガラス製成形型の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、
凹面形状または凸面形状の成形面を有するガラス製成形型の製造方法であって、
温度Ｔａに加熱されたガラス素材をマスター型表面と当接させた状態で押圧すること、
上記当接させた状態で上記ガラス素材を冷却すること、
上記冷却後、上記当接させた状態を解除すること、
により、上記成形面を形成することを含み、
上記当接させた状態の解除は、上記ガラス素材の温度が当接状態解除許容温度Ｔｂ以下であるときに行われ、
Ｔｂは、
Ｔｂ＝Ｔｇ－２００℃
であり、Ｔｇは上記ガラス素材のガラス転移点（単位：℃）であり、
上記冷却中、上記ガラス素材の温度がＴｃであるときの上記マスター型の温度はＴｋであり、
Ｔｋ＝Ｔｃ－Ａ
であり、Ａは０℃超であり、かつ
上記ガラス素材の温度がＴｂ以上Ｔｃ未満であるときに上記マスター型の温度はガラス素材の温度を下回り、
Ｔｂ以上Ｔｃ未満の全温度域において、
形成される成形面が凹面形状の場合、上記マスター型と上記ガラス素材とは下記式１：
（式１）
－１．００≦β_ＴＫ―β_ＴＧ≦０．０１
を満たし、
形成される成形面が凸面形状の場合、上記マスター型と上記ガラス素材とは下記式２：
（式２）
－０．０１≦β_ＴＫ―β_ＴＧ≦１．００
を満たし、
Ｔｃは、Ｔｂ超Ｔａ未満であり、かつ
Ｔｃ＝Ｔｇ＋（Ｔｓ－Ｔｇ）×Ｂ
であり、Ｂは０超１未満であり、Ｔｓは上記ガラス素材の屈伏点（単位：℃）であり、
上記式中、
β_ＴＫは、上記マスター型の温度Ｔａにおける長さを基準とした温度（Ｔ－Ａ）における収縮率（単位：％）を無単位で示した値であり、
β_ＴＧは、上記ガラス素材の温度Ｔａにおける長さを基準とした温度Ｔにおける収縮率（単位：％）を無単位で示した値であり、
Ｔは、Ｔｂ以上Ｔｃ未満である、ガラス製成形型の製造方法、
に関する。

本発明者は、ガラス素材とマスター型とが上記式を満たすことにより冷却中に異常離型が生じることを抑制できることが、マスター型の面形状を高い精度で転写することを可能にすることに寄与し得ると考え、上記製造方法を見出すに至った。

本発明の一態様によれば、マスター型の面形状を高い精度で転写してガラス製の成形型を製造することが可能になる。また、本発明の一態様によれば、こうして製造されたガラス製成形型を使用する光学素子の製造方法を提供することもできる。

ガラス製成形型を含む光学素子用製造装置の一例を示す概略断面図である。ガラス製成形型の製造装置の一例を示す概略断面図である。ガラス素材１とマスター型１との組み合わせ、ガラス素材２とマスター型２との組み合わせに関する評価結果を示す。ガラス素材３とマスター型１との組み合わせ、ガラス素材４とマスター型２との組み合わせに関する評価結果を示す。ガラス素材５とマスター型１との組み合わせに関する評価結果を示す。ガラス素材６とマスター型１との組み合わせに関する評価結果を示す。

［ガラス製成形型の製造方法］
以下、上記のガラス製成形型の製造方法について、更に詳細に説明する。以下では図面を参照して説明することがあるが、本発明は図面に示す実施形態に限定されるものではない。

＜ガラス製成形型の構成＞
図１は、ガラス製成形型を備えた光学素子用製造装置の一例の概略断面図である。図１の光学素子用製造装置１０は、被成形素材２１から光学素子２０をプレス成形によって製造するものであり、ガラス製の成形型である上型１１と下型１２を備える。上型１１と下型１２は、案内型１３内に相対移動可能に支持されており、互いの間隔を変化させることができる。上型１１および下型１２は、両方とも移動可能な可動型であってもよいし、一方が可動型で他方が移動しない固定型であってもよい。

上型１１および下型１２は、互いに対向する側に成形面１４、成形面１５を有している。光学素子２０は、具体的には両面が非球面である両凸レンズであり、成形面１４および成形面１５は、それぞれ光学素子２０の各凸面（非球面）に対応する形状の凹面（非球面）である。即ち、成形面１４および成形面１５の形状がプレス成形によって転写されて光学素子２０の凸面が形成される。但し、図１に示す実施形態は例示であって、上記製造方法によって製造されるガラス製成形型の成形面は、一形態では凸面形状を有し、他の一形態では凹面形状を有する。

成形面１４、１５上には、被膜１６、１７がそれぞれ形成されている。被膜１６、１７は、一般に離型膜と呼ばれる被膜であることができ、例えば炭素膜等であって被成形素材の融着を抑える役割を果たすことができる。図１に示す被膜１６、１７は単層構造であるが、異なる組成からなる複層構造の被膜を設けることもできる。または、被膜１６、１７を備えずに成形面１４、１５が露出した構成も選択可能である。

案内型１３の外側にはヒーター（不図示）が設けられている。成形時には、被成形素材２１が軟化する成形温度までヒーターで加熱することができる。

本発明および本明細書において、「ガラス製成形型」とは、成形面を備えた部分を指すものとする。例えば図１中、上型１１と下型１２の被膜１６、１７を除く部分の全体をガラス製としてもよい。または、上型１１と下型１２のうち成形面１４と成形面１５を含む一部のみをガラス製とし、ガラス製の部分に金属製等の別の材料製の基盤部を接合して上型１１や下型１２を構成することもできる。

＜ガラス素材＞
上記ガラス製成形型は、マスター型によってガラス素材をプレス成形することによって製造することができる。ガラス素材については、特に限定はなく、各種組成および物性を有するガラス素材を使用することができる。ガラス素材としては、市販のガラスを使用してもよく、公知の方法で作製したガラス素材を使用してもよい。

上記ガラス素材のガラス組成については、例えば、下記（Ａ）～（Ｇ）の１つ以上を満たす組成を挙げることができる。一例として、上記ガラス素材は、アルミノシリケート系ガラスおよび／またはシリケート系ガラスに該当するガラス製のガラス素材であることができる。本発明および本明細書において、「アルミノシリケート系ガラス」とは、ガラスのカチオン成分について酸化物基準で表示されるガラス組成に少なくともＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３とが含まれるガラスをいうものとし、「シリケート系ガラス」とは、ガラスのカチオン成分について酸化物基準で表示されるガラス組成に少なくともＳｉＯ_２が含まれるガラスをいうものとする。アルミノシリケート系ガラスおよび／またはシリケート系ガラスに該当するガラスのガラス組成としては、例えば下記（Ａ）～（Ｆ）の１つ以上を満たす組成を挙げることができる。但し、下記組成は例示に過ぎず、ガラス素材としては各種組成のガラス素材を使用することができる。
（Ａ）モル％表示のガラス組成において、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の合計含有量が６０．０％以上である。
（Ｂ）モル％表示のガラス組成において、ＳｉＯ_２含有量が５１．０～７９．０％、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が８．０～２４．０％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯおよびＢａＯの合計含有量が１．０～３５．０％である
（Ｃ）モル％表示のガラス組成において、ＭｇＯ含有量が１．０～３０．０％、ＣａＯ含有量が０．０～１５．０％、ＳｒＯ含有量が０．０～１２．０％、ＢａＯ含有量が０．０～１２．０％、ＺｎＯ含有量が０．０～１０．０％、Ｌｉ_２Ｏ含有量が０．０～８．０％、Ｎａ_２ＯとＫ_２Ｏとの合計含有量が０．０～４．２５％、ＺｒＯ_２含有量が０．０～１０．０％、ＴｉＯ_２含有量が０．０～６．０％、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５およびＨｆＯ_２の合計含有量が０．０～４．０％である。
（Ｄ）モル％表示のガラス組成において、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、およびＭｇＯの合計含有量に対するＬｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏの合計含有量のモル比（Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）／（ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３＋ＭｇＯ）が０．０００～０．０５０の範囲である。
（Ｅ）モル％表示のガラス組成において、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_５およびＡｌ_２Ｏ_３の合計含有量が１０．０～９０．０％である。
（Ｆ）モル％表示のガラス組成において、ＳｉＯ_２含有量が０．０～８０．０％、好ましくは１．０～７０．０％、Ｂ_２Ｏ_３含有量が０．０～８０．０％、好ましくは１．０～７０．０％、Ｐ_２Ｏ_５含有量が０．０～８０．０％、好ましくは１．０～７０．０％、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が０．０～３０．０％である。
（Ｇ）モル％表示のガラス組成において、ＭｇＯ含有量が０．０～６０．０％、ＣａＯ含有量が０．０～６０．０％、ＳｒＯ含有量は０．０～６０．０％、ＢａＯ含有量が０．０～６０．０％、ＺｎＯ含有量が０．０～６０．０％、Ｌｉ_２Ｏ含有量が０．０～６０．０％、Ｎａ_２ＯとＫ_２Ｏとの合計含有量が０．０～６０．０％、ＺｒＯ_２含有量が０．０～２０．０％、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５およびＨｆＯ_２の合計含有量が０．０～７０．０％である。

また、一例として、ガラス物性としては、下記（１）～（３）を例示でき、上記ガラス素材は下記（１）～（３）の１つ以上を有することができる。但し、下記物性も例示に過ぎず、ガラス素材としては各種物性を有するガラス素材を使用することができる。下記の平均熱膨張係数αは、熱機械分析装置（ＴＭＡ；ＴｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓ）を用いて測定される値である。ガラス転移点Ｔｇおよび屈伏点Ｔｓの測定方法については後述する。
（１）ガラス転移点Ｔｇが６５０℃以上、６７０℃以上または７００℃以上（例えば９００℃以下）である。
（２）屈伏点Ｔｓが７００℃以上、７２０℃以上または７５０℃以上（例えば９５０℃以下）である。
（３）１００℃～３００℃での平均熱膨張係数αが１０×１０^－７／℃～７０×１０^－７／℃、２０×１０^－７／℃～６０×１０^－７／℃、または２５×１０^－７／℃～５５×１０^－７／℃である。

＜ガラス素材のプレス成形＞
上記製造方法では、ガラス素材をマスター型によって押圧して成形することにより、凹面形状または凸面形状の成形面を有するガラス製成形型を製造する。

図２は、ガラス製成形型の製造装置（以下、「成形型製造装置」とも記載する。）の一例の概略断面図である。図２の成形型製造装置は、凸面形状の成形面３４を有する上型（マスター型）３１と、下型３２と、案内型３３と、を含む。上型３１と下型３２との間でガラス素材４１が押圧され、上型の成形面３４の面形状がガラス素材４１に転写され、これにより凹面形状の成形面を有するガラス製成形型が得られる。下型３２の面形状は、平面形状、凸面形状、凹面形状のいずれであってもよく、特に限定されない。また、図２の成形型製造装置では、ガラス素材に面形状を転写してガラス製成形型の成形面を形成するためのマスター型は上型であるが、かかるマスター型を下型として配置することもできる。

上型３１と下型３２は、案内型（一般に「スリーブ」とも呼ばれる。）３３内に相対移動可能に支持されており、互いの間隔を変化させることができる。上型３１および下型３２は、両方とも移動可能な可動型であってもよいし、一方が可動型で他方が移動しない固定型であってもよい。

案内型３３の外側にはヒーター（不図示）が設けられている。成形時には、ガラス素材４１が軟化する成形温度Ｔａまでヒーターで加熱することができる。Ｔａは、ガラス素材の種類に応じて設定すればよく、例えば７００～１０００℃の範囲、好ましくは７５０～９５０℃℃の範囲とすることができる。また、一形態では、Ｔａ＝Ｔｓ±５０℃とすることができる。図２の成形型製造装置では、案内型３３の外側に設けられたヒーターによって、ガラス素材とともに上型、下型および案内型も加熱される。

温度Ｔａに加熱されたガラス素材は、マスター型表面（図２中、上型３１の成形面３４）と当接された状態で押圧される。上型３１および／または下型３２を介してガラス素材４１に押圧荷重を加えることにより、ガラス素材４１を押圧することができる。

その後、ガラス素材４１をマスター型表面と当接させた状態で冷却した後、マスター型表面との当接状態を解除する。こうしてガラス素材４１がプレス成形され、マスター型表面（図２中、上型３１の成形面３４）の面形状が転写されて形成された凹面形状の成形面を有するガラス製成形型を得ることができる。ここで、上記の当接状態の解除は、ガラス素材の温度が当接解除許容温度Ｔｂ以下であるときに行う。Ｔｂは、ガラス素材のガラス転移点Ｔｇに応じて決定され、「Ｔｂ＝Ｔｇ－２００℃」である。Ｔｂは、ガラスの硬化が十分に進行している温度ということができる。Ｔｂは、ガラスの歪点を十分に下回ることが好ましく、かかる観点からは、例えばＴｇ－１５０℃以下、好ましくはＴｇ－１６０℃以下、より好ましくはＴｇ－１８０℃以下、更に好ましくはＴｇ－２００℃以下とすることができる。Ｔｂは、ガラス製成形型および／またはマスター型の温度を冷却速度に追従しやすくする観点からは、例えば２０℃以上、５０℃以上、７０℃以上、１００℃以上、１５０℃以上、２００℃以上、２５０℃以上、３００℃以上、３５０℃以上または４００℃以上であることができる。また、Ｔｂは、ガラス製成形型のＴｇを十分に下回ることが好ましく、かかる観点からは、例えば９００℃以下、８００℃以下、７００℃以下、６００℃以下、５５０℃以下、５００℃以下、４００℃以下、３５０℃以下または３００℃以下であることができる。ＴａからＴｂまで冷却する間、上型３１および／または下型３２を介してガラス素材４１に押圧荷重を適宜加え続けてもよく、型自重のみの荷重でもよい。

図２の成形型成形装置によれば凹面形状の成形面を有するガラス製成形型が得られる。一方、マスター型の成形面の面形状が凹面形状であれば、ガラス素材に凹面形状が転写されることによって凸面形状の成形面を有するガラス製成形型を得ることができる。成形型成形装置から取り出されたガラス製成形型には、アニール、被膜形成等の公知の後工程の一種以上を任意に施すことができる。

上記製造方法では、ガラス素材が温度Ｔｃであるときに温度Ｔｋ℃となるマスター型が使用される。ここで、Ｔｃは、Ｔｂ超Ｔａ未満であり、かつ「Ｔｃ＝Ｔｇ＋（Ｔｓ－Ｔｇ）×Ｂ」であり、Ｂは０超１未満であり、Ｔｓはガラス素材の屈伏点（単位：℃）である。Ｔｋについて、「Ｔｋ＝Ｔ－Ａ」であり、Ａは０℃超である。即ち、ガラス素材が温度Ｔｃまで冷却されたときのマスター型の温度はＴｃより０℃超低い。また、ガラス素材の温度がＴｂ以上Ｔｃ未満であるときにマスター型の温度はガラス素材の温度を下回る。温度Ｔａ℃から冷却されるガラス素材は、先の式により規定される温度Ｔｃ未満になると硬化し始めると考えられ、ここで異常離型が生じてしまうとマスター型の面形状を転写する精度が大きく低下してしまうと推察される。Ａは、０℃超であり、ガラス素材およびマスター型の熱特性、冷却条件、ガラス素材の体積等によって異なり、例えば１℃以上、３０℃以上、５０℃以上、または６０℃以上であることができ、また、例えば３００℃以下、２００℃以下または１５０℃以下であることができる。Ａは、通常、冷却速度を速くするほど大きくなる傾向があり、冷却速度を遅くするほど小さくなる傾向がある。例えば、Ａは、冷却速度を速くすることにより、例えば、７０℃、７５℃、８０℃、８５℃・・・と大きくなる傾向がある。また、Ａは、例えば冷却速度を遅くすることにより、６５℃、６０℃、５５℃・・・と小さくなる傾向がある。上記のマスター型の温度とは、ガラス素材と当接するマスター型表面の温度をいうものとする。冷却速度は、Ｔａから後述するＴｂまでの平均冷却速度として、ガラス製成形型の生産性を高める観点および／またはマスター型の熱劣化を抑制する観点からは、－０．１℃／分以上、－０．３℃／分以上、－０．５℃／分以上、－１．０℃／分以上、－３．０℃／分以上、－５．０℃／分以上、－１０．０℃／分以上もしくは－１５．０℃／分以上であることができ、また、－１００．０℃／分以下、－５０．０℃／分以下、－３０．０℃／分以下、－２５．０℃／分以下、－２０．０℃／分以下、－１８．０℃／分以下、－１６．０℃／分以下、－１４．０℃／分以下、－１２．０℃／分以下、－１０．０℃／分以下、－５．０℃／分以下、－３．０℃／分以下もしくは－１．０℃／分以下であることができる。

上記製造方法では、マスター型とガラス素材との組み合わせとして、以下の温度の関係を満たす組み合わせを使用する。即ち、Ｔｂ以上Ｔｃ未満の全温度域において、形成される成形面が凹面形状の場合、マスター型とガラス素材とは下記式１を満たし、形成される成形面が凸面形状の場合、マスター型と上記ガラス素材とは下記式２を満たす。

（式１）
－１．００≦β_ＴＫ―β_ＴＧ≦０．０１
（式２）
－０．０１≦β_ＴＫ―β_ＴＧ≦１．００

β_ＴＫは、上記マスター型の温度Ｔａにおける長さを基準とした温度（Ｔ－Ａ）における収縮率（単位：％）を無単位で示した値であり、β_ＴＧは、上記ガラス素材の温度Ｔａにおける長さを基準とした温度Ｔにおける収縮率（単位：％）を無単位で示した値であり、Ｔは、Ｔｂ以上Ｔｃ未満である。

本発明および本明細書において、上記の収縮率は、以下の方法によって求められる値である。
マスター型もしくはガラス素材から測定用試料を切り出すか、または、マスター型もしくはガラス素材と同じ材料から構成される測定用試料を作製する。マスター型および／またはガラス素材が母材の表面に被膜（例えば離型膜等）を有する場合、上記の収縮率は、母材部分から切り出した測定用試料または母材部分と同じ材料から構成される測定用試料について求める。測定用試料は、長さ２０ｍｍ±０．５ｍｍ、直径５ｍｍ±０．５ｍｍの丸棒とする。以下において、測定用試料の長さをＬ_ＲＴと表記する。各試料について、ＪＯＧＩＳ０８－２００３に準じる方法によって熱膨張特性を測定する。詳しくは、試料に９８ｍＮの荷重を印加した状態で、４℃／分の昇温速度で加熱し、１秒ごとに温度に対する伸び量（単位：ｍｍ）を測定して得られたグラフ（いわゆる熱膨張曲線）から、温度Ｔａにおける伸び量ΔＬ_Ｔａと任意の温度Ｔにおける伸び量ΔＬ_Ｔを求める。こうして求められた伸び量ΔＬ_ＴａとΔＬ_Ｔとの差分（ΔＬ_Ｔａ－ΔＬ_Ｔ）を、温度Ｔａにおける長さを基準とした温度Ｔにおける収縮量（単位：ｍｍ）とし、これを温度Ｔａにおける測定用試料の長さＬ_ＲＴ＋ΔＬ_Ｔａ（単位：ｍｍ）で割ったものを収縮率（単位：％）とする。また、ガラス素材について、上記グラフにおける低温度域と高温度域の直線部分の延長の交点に対応する温度をガラス転移点Ｔｇ、上記グラフにおいて見かけ上膨張が停止する温度、即ち温度上昇に伴い伸びが増加から減少に転じる変曲点の温度を屈伏点Ｔｓとする。

上記式１、式２では、マスター型の収縮率とガラス素材の収縮率に関して、ガラス素材の温度Ｔにおける収縮率と対比されるマスター型の収縮率は、温度（Ｔ－Ａ）における収縮率である。本発明者は、ガラス素材とマスター型との組み合わせとして、ガラス素材がＴａ℃で押圧された後にマスター型表面と当接した状態で冷却される際のガラス素材とマスター型との熱拡散特性の違いから生じる温度の違いも考慮した上記式を満たす組み合わせを使用することが、マスター型の面形状を高い精度で転写してガラス製の成形型を製造することを可能にすることに寄与すると考えている。これは、上記式を満たす組み合わせによれば、冷却中にマスター型の収縮の程度がガラス素材の収縮の程度を大きく上回ることによってマスター型表面（成形面）がガラス素材から異常離型することを抑制できるためと推察される。ここで上記式を満たす温度範囲をＴｂ以上Ｔｃ未満の全温度域とする理由は、温度Ｔａから冷却されるガラス素材は、先の式により規定される温度Ｔｃ未満になると硬化し始めると考えられ、ここで異常離型が生じてしまうとマスター型の面形状を転写する精度が大きく低下してしまうと推察されるためである。温度Ｔｃについて、先に記載した通り、Ｔｃ＝Ｔｇ＋（Ｔｓ－Ｔｇ）×Ｂ、であり、Ｂは０以上１以下である。転写精度の更なる向上の観点から、Ｂは、好ましくは０．１以上であり、より好ましくは０．２以上である。また、同様の観点から、Ｂは、好ましくは０．７以下であり、より好ましくは０．５以下である。

式１の下限は、－１．００以上であり、－０．５０以上であることが好ましく、－０．２０以上であることがより好ましい。式１の上限は、０．０１以下であり、０．００５以下であることが好ましく、０以下であることがより好ましい。式２の下限は、－０．０１以上であり、－０．００５以上であることが好ましく、０以上であることがより好ましい。式２の上限は、１．００以下であり、０．５０以下であることが好ましく、０．２０以下であることがより好ましい。

マスター型の材料は特に限定されるものではない。耐熱性、耐久性等の観点からは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）製、ガラス製等のマスター型が好ましい。マスター型は、公知の方法によって製造することができる。

［光学素子の製造方法］
本発明の一態様は、上記製造方法によってガラス製成形型を製造することおよび製造されたガラス製成形型によって被成形素材をプレス成形することを含む光学素子の製造方法に関する。

上記光学素子の製造方法については、先に記載したガラス製成形型の製造方法によって製造されたガラス製成形型を用いる点以外、プレス成形による光学素子の製造に関する公知技術を適用することができる。プレス成形に使用可能な光学素子用製造装置の一例は、先に説明した図１の光学素子用製造装置である。

光学素子としては、球面レンズ、非球面レンズ、マイクロレンズなどの各種のレンズ、プリズム等を例示することができる。また、被成形素材はガラス素材であることができ、光学素子はガラス製光学素子であることができる。

例えば、上記ガラス製成形型を用いて、プレス成形用に加工されたガラス塊（以下、「プレス成形用ガラス素材」と記載する。）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の例としては、精密プレス成形用プリフォーム、プレス成形により光学素子ブランクを得るためのガラス素材（プレス成形用ガラスゴブ）等のプレス成形品の質量に相当する質量を有するガラス塊を挙げることができる。プレス成形用ガラス素材は、ガラス成形体を加工する工程を経て作製される。ガラス成形体は、ガラス原料を加熱、熔融し、得られた熔融ガラスを成形して作製することができる。ガラス成形体の加工法としては、切断、研削、研磨等を例示することができる。また、光学素子ブランクは、製造しようとする光学素子の形状に近似する形状を有するガラス成形体である。光学素子ブランクは、製造しようとする光学素子の形状に加工によって除去する加工代を加えた形状にガラスを成形する方法等により作製することができる。例えば、プレス成形用ガラス素材を加熱、軟化してプレス成形する方法（リヒートプレス法）、公知の方法で熔融ガラス塊をプレス成形型に供給しプレス成形する方法（ダイレクトプレス法）等によって光学素子ブランクを作製することができる。

例えば、精密プレス成形用の成形型の成形面の形状精度については、光学素子に求められる形状精度の数倍の精度が望まれる。先に記載したガラス製成形型の製造方法によれば、マスター型の面形状を高い精度で転写してガラス製の成形型を製造することができる。こうして得られるガラス製成形型は、精密プレス成形用の成形型として好適である。但し、成形面の形状精度に優れることは各種プレス成形において好ましいため、上記製造方法によって製造されるガラス製成形型は、精密プレス成形用成形型に限定されるものではなく、各種プレス成形用成形型として好適である。

以下に、本発明を実施例により更に詳細に説明する。但し、本発明は実施例に示す実施形態に限定されるものではない。

＜ガラス素材＞
ガラス素材として、６種のガラス素材（ガラス素材１～６）を準備した。ガラス素材１～６は、アルミノシリケート系ガラス製および／またはシリケート系ガラスに該当するガラスであって、先に例示した（Ａ）～（Ｆ）の１つ以上を満たすガラス製のガラス素材である。

＜マスター型＞
マスター型として、マスター型１：ＳｉＣ製マスター型、マスター型２：ガラス製マスター型（ガラス：ＨＯＹＡ株式会社製硝種名Ｍ－ＴＡＦＤ３０５）、を準備した。

上記ガラス素材のガラス転移点Ｔｇ、屈伏点Ｔｓおよび１００℃～３００℃での平均熱膨張係数αを先に記載した方法によって測定した。各ガラス素材について、ＴｇおよびＴｓの値から「Ｔｃ＝Ｔｇ＋（Ｔｓ－Ｔｇ）×Ｂ」としてＴｃを算出した。ここでＢ＝１／３とした。測定または算出された値を表１に示す。
また、各ガラス素材の成形時の温度Ｔａは、表１に示す温度とした。

ガラス素材１～５についてはそれぞれ凸面形状または凹面形状の成形面を有するマスター型１を上型として用いて、ガラス素材６については凸面形状または凹面形状の成形面を有するマスター型２を上型として用いて、図２の成形型製造装置によってプレス成形を行った。温度Ｔａを表１に示す温度としてガラス素材をマスター型表面と当接させた状態で荷重を印加して押圧し、各ガラス素材のＴｇから算出される温度Ｔｂまで冷却速度を－１０℃／分として冷却し、その後、成形型成形装置内で室温程度まで放冷した後、マスター型との当接状態を解除し、マスター型の面形状が転写されて成形面が形成されたガラス製成形型を成形型製造装置から取り出した。非接触式の温度計による測定の結果、ガラス素材１～４とマスター型１についてはＡ＝７０℃、ガラス素材５とマスター型１についてはＡ＝１５０℃、ガラス素材６とマスター型２についてはＡ＝３０℃であり、ガラス素材とマスター型との組み合わせのいずれにおいても、ガラス素材の温度がＴｂ以上Ｔｃ未満であるときにマスター型の温度がガラス素材の温度を下回っていた。

上記のガラス素材とマスター型との組み合わせについて、それぞれ３つのガラス製成形型を製造した。
製造されたガラス製成形型について、マスター型の凸面形状を転写して成形されたガラス製成形型の凹面形状精度（転写精度）、マスター型の凹面形状を転写して成形されたガラス製成形型の凸面形状精度（転写精度）を、下記方法によって、下記評価基準によって評価した。
（評価方法）
Ｐａｎａｓｏｎｉｃ社製超高精度三次元測定機（ＵＡ３Ｐ）を用いて、ガラス製成形型の成形面の形状測定を行い、ＢＥＳＴＦＩＴ形状誤差を算出した。測定は、各成形面について測定方向を変えて合計２回行った。ＢＥＳＴＦＩＴ形状誤差は、マスター型表面（球面）の曲率半径を基準として算出した。
（評価基準）
〇：３つのガラス製成形型のすべての成形面内において、ＢＥＳＴＦＩＴ後の形状誤差が０．０４μｍ以下である。
×：３つのガラス製成形型の成形面内に、ＢＥＳＴＦＩＴ後の形状誤差が０．０４μｍ超の部分がある。

各ガラス素材およびマスター型について、先に記載した方法によって収縮率を求め、温度に対する収縮率の曲線を作成した。マスター型については、各温度に対する収縮率の曲線（曲線１）とともに曲線１をＡ℃右にシフトさせた曲線（曲線２）も作成した。ガラス素材とマスター型の組み合わせについて、それぞれマスター型の曲線２とガラス素材の収縮率の曲線（曲線３）との差曲線を作成した。差曲線から、ガラス素材とマスター型との組み合わせが式１、２を満たすか否かを判定できる。

以上の結果を、図３～図６に示す。

図３、図４および図６に示す組み合わせの中で、式１を満たすガラス素材とマスター型との組み合わせから作製された凹面形状を有するガラス製成形型を上型および下型として使用して精密プレス成形を行い、ガラス製の光学素子（両凸レンズ）を作製した。

図３に示す組み合わせの中で、式２を満たすガラス素材とマスター型との組み合わせから作製された凸面形状を有するガラス製成形型を上型および下型として使用して精密プレス成形を行い、ガラス製の光学素子（両凹レンズ）を作製した。

上記で作製された光学素子の面形状を、ガラス製成形型の成形面について行った先の評価方法によって評価し、マスター型表面（球面）の曲率半径を基準としてＢＥＳＴＦＩＴ形状誤差を求めたところ、レンズの有効径内でのＢＥＳＴＦＩＴ後の形状誤差は０．０４μｍ以下であり、光学素子に求められる形状精度を十分満たしていることが確認された。

最後に、前述の各態様を総括する。

一態様によれば、凹面形状または凸面形状の成形面を有するガラス製成形型の製造方法であって、温度Ｔａに加熱されたガラス素材をマスター型表面と当接させた状態で押圧すること、上記当接させた状態で上記ガラス素材を冷却すること、上記冷却後、上記当接させた状態を解除すること、により、上記成形面を形成することを含み、上記当接させた状態の解除は、上記ガラス素材の温度が当接状態解除許容温度Ｔｂ以下であるときに行われ、Ｔｂは、Ｔｂ＝Ｔｇ－２００℃、であり、Ｔｇは上記ガラス素材のガラス転移点（単位：℃）であり、上記冷却中、上記ガラス素材の温度がＴｃであるときの上記マスター型の温度はＴｋであり、Ｔｋ＝Ｔｃ－Ａ、であり、Ａは０℃超であり、かつ上記ガラス素材の温度がＴｂ以上Ｔｃ未満であるときに上記マスター型の温度はガラス素材の温度を下回り、Ｔｂ以上Ｔｃ未満の全温度域において、形成される成形面が凹面形状の場合、上記マスター型と上記ガラス素材とは上記式１を満たし、形成される成形面が凸面形状の場合、上記マスター型と上記ガラス素材とは上記式２を満たす、ガラス製成形型の製造方法が提供される。

上記製造方法によれば、マスター型の面形状を高い精度で転写してガラス製の成形型を製造することができる。

一形態では、上記Ａは、１℃以上３００℃以下であることができる。

一形態では、上記Ｔｂは、５０℃以上５００℃以下であることができる。

一形態では、上記冷却を、－０．１～－１００．０℃／分の冷却速度で行うことができる。

一態様によれば、上記製造方法によってガラス製成形型を製造すること、および、製造されたガラス製成形型によって被成形素材をプレス成形すること、を含む光学素子の製造方法が提供される。

一形態では、上記光学素子は、ガラス製光学素子であることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、明細書に例示または好ましい範囲として記載した形態の２つ以上を任意に組み合わせることは、もちろん可能である。

Claims

凹面形状または凸面形状の成形面を有するガラス製成形型の製造方法であって、
温度Ｔａに加熱されたガラス素材をマスター型表面と当接させた状態で押圧すること、
前記当接させた状態で前記ガラス素材を冷却すること、
前記冷却後、前記当接させた状態を解除すること、
により、前記成形面を形成することを含み、
前記当接させた状態の解除は、前記ガラス素材の温度が当接状態解除許容温度Ｔｂ以下であるときに行われ、
Ｔｂは、
Ｔｂ＝Ｔｇ－２００℃
であり、Ｔｇは前記ガラス素材のガラス転移点（単位：℃）であり、
前記冷却中、前記ガラス素材の温度がＴｃであるときの前記マスター型の温度はＴｋであり、
Ｔｋ＝Ｔｃ－Ａ
であり、Ａは０℃超であり、かつ
前記ガラス素材の温度がＴｂ以上Ｔｃ未満であるときに前記マスター型の温度はガラス素材の温度を下回り、
Ｔｂ以上Ｔｃ未満の全温度域において、
形成される成形面が凹面形状の場合、前記マスター型と前記ガラス素材とは下記式１：
（式１）
－１．００≦β_ＴＫ―β_ＴＧ≦０．０１
を満たし、
形成される成形面が凸面形状の場合、前記マスター型と前記ガラス素材とは下記式２：
（式２）
－０．０１≦β_ＴＫ―β_ＴＧ≦１．００
を満たし、
Ｔｃは、Ｔｂ超Ｔａ未満であり、かつ
Ｔｃ＝Ｔｇ＋（Ｔｓ－Ｔｇ）×Ｂ
であり、Ｂは０超１未満であり、Ｔｓは前記ガラス素材の屈伏点（単位：℃）であり、
前記式中、
β_ＴＫは、前記マスター型の温度Ｔａにおける長さを基準とした温度（Ｔ－Ａ）における収縮率（単位：％）を無単位で示した値であり、
β_ＴＧは、前記ガラス素材の温度Ｔａにおける長さを基準とした温度Ｔにおける収縮率（単位：％）を無単位で示した値であり、
Ｔは、Ｔｂ以上Ｔｃ未満である、ガラス製成形型の製造方法。
前記Ａは、１℃以上３００℃以下である、請求項１に記載のガラス製成形型の製造方法。
前記Ｔｂは、５０℃以上５００℃以下である、請求項１または２に記載のガラス製成形型の製造方法。
前記冷却を、－０．１～－１００．０℃／分の冷却速度で行う、請求項１～３のいずれか１項に記載のガラス製成形型の製造方法。
請求項１～４のいずれか１項に記載の製造方法によってガラス製成形型を製造すること、および
製造されたガラス製成形型によって被成形素材をプレス成形すること、
を含む、光学素子の製造方法。
前記光学素子は、ガラス製光学素子である請求項５に記載の光学素子の製造方法。