JPH0489326A - 光学ガラス成形体とその製造方法とその製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、レンズやプリズム等の高精度な光学ガラス素
子のリヒートプレス成形用素材である光学ガラス成形体
およびその製造方法とその製造装置に関する。

従来の技術 近年、光学ガラスレンズは光学機器のレンズ構成の簡略
化とレンズ部分の軽量化の両方を同時に達成しうる非球
面化の方向にある。この非球面レンズの製造にあたって
は、従来の光学レンズの製造方法である研磨法では、加
工および量産化が困難であり、金型を用いた成形法が有
望視されている。

この金型を用いた成形法というのは、予め所望の面品質
および面精度に仕上げた金型上に水酸化アルミニウム、
炭酸マグネンウム、カーボン等の離型剤を塗布あるいは
被覆した状態で、光学ガラスの塊状物を加熱成形するか
、あるいは熔融状態の光学ガラスの塊状物を加熱成形を
行なう方法である（例えば、特公昭５４−６０３１２号
公報）。

発明が解決しようとする課題 非球面レンズ、プリズム等の光学ガラス素子の場合、表
面に各種欠陥がないことあるいは離型剤の付着のないこ
と、鏡面と同程度の面粗度であること、およびサブミク
ロンオーダーの面精度であることが要求されるため、光
学ガラス素子および前記光学ガラス素子のリヒートプレ
ス成形用素材の光学ガラス成形体は非常に高価なものに
なっていた。

すなわち光学ガラス成形体の表面に欠陥がない状態（例
えば表面粗さＲＭＳで０．００５ミクロン以下の鏡面状
態）にするために、研磨または工。

チング処理を施す必要があり光学ガラス成形体が高価な
ものになっており、低コストで高精度な光学ガラス成形
体が製造できる方法の開発が強く望まれていた。

課題を解決するための手段 本発明は前記課題を解決するために、−面は自由表面で
あり、他面は部分的に熱加工治具の成形面の転写面であ
りかつその他の部分は自由表面である光学ガラス成形体
、及び冷却した熱加工治具にガラス塊を載置した状態で
、ガラス塊を加熱する光学ガラス成形体の製造方法、及
び内部を貫通する冷却経路を設けた熱加工治具を冷却す
る冷却手段と、ガラス塊を載置した熱加工治具及びガラ
ス塊を加熱する加熱手段とを備えた光学ガラス成形体の
製造装置とを提供するものである。

作用 ガラス塊を高温で加熱すると、ガラス塊は熱変形して鏡
面状態の自由面を形成する。しかしながら高温に加熱し
たガラス塊は化学的に極めて活性な状態にあるため、熱
加工治具に非常に大きなダメージを与え、光学ガラスと
反応あるいは融着する。冷却した熱加工治具にガラス塊
を載置した状態で、ガラス塊を加熱すると、熱加工治具
と接触しない面は熱変形して鏡面状態の自由表面であり
、熱加工治具と接触した面は熱加工治具の成形面の転写
面でありかつその他の部分は自由表面である光学ガラス
成形体になる。

例えばガラス塊が平板を研磨した研磨品、熱加工治具の
成形面と周状に接触するためその部分だけが熱加工治具
の成形面の転写面を形成し、それ以外の場所は熱変形し
て鏡面状態の自由表面になる。さらに熱変形が進むとガ
ラス塊の中央部が軟化して垂れはしめて自由表面が熱加
工治具と接触する。その結果、最初周状に接触していた
部分は浮いた状態になり、今度はこの部分が熱変形して
鏡面状態の自由表面になる。また、ガラス塊が熔融ガラ
スから製造したゴブ品の場合、表面にオレンジマークと
呼ばれるしわ状の大きな欠陥が存在しても、熱加工治具
としわ状の欠陥とが点接触するためその部分だけが熱加
工治具の成形面の転写面を形成し、それ以外の場所は熱
変形して鏡面状態の自由表面になる。さらに熱変形が進
むと前述の自由表面が熱加工治具と接触し、最初点接触
した部分が浮いた状態になり、今度はこの部分が熱変形
して鏡面状態の自由表面になる。その結果、−面は自由
表面であり、他面は部分的に熱加工治具の成形面の転写
面でありかつその他の部分は自由表面である光学ガラス
成形体を得ることができさらにこの光学ガラス成形体を
高精度な形状及び鏡面に加工したプレス成形用金型で加
熱加圧成形することにより、表面に欠陥のない光学ガラ
ス素子を製造することができる。

実施例 以下に本発明の一実施例を詳細に示す。

第１図は本発明によって得られる光学ガラス成形体の断
面図、第２図は内部を貫通する冷却経路を設けた熱加工
治具にガラス塊を載置していることを示す断面図、第３
図は熱加工治具に載置したガラス塊を加熱する光学ガラ
ス成形体の製造装置を示す断面図、第４回はゴブ品が熱
加工治具上で熱変形する過程を示す断面図、第５図は研
磨品が熱加工治具上で熱変形する過程を示す断面図、第
６図は光学ガラス成形体のプレス成形を示す断面図であ
る。

実施例１ 熱加工治具６としてグラノシーカーボンを使用し、曲率
半径が１５胴の凹形の成形面４に加工し、第２図のよう
に成形面４の下に内径７閣の冷却用の貫通穴５をあけた
。プレス成形用金型２０２１として、超硬合金（ＷＣ−
５７ｉ　Ｃ−８Ｃｏ）を曲率半径が２０ｆｆｉ１１１の
鏡面の凹金型にしスパッタ法で白金−イリジウム−オス
ミウム合金（ＰｔＩｒ−Ｏｓ）の薄膜を形成した。

ガラス塊７は、シリカ（Ｓｉ０２）３０重量パーセント
、酸化バリウム（Ｂａｄ）５０重量パーセントホホウ酸
Ｂ２０３）１５重量パーセント、残部が微量成分からな
るホウケイ酸バリウムガラスのゴブ品約３グラムを用い
た。

第３図に示した光学ガラス成形体の製造装置は、全体を
断熱壁１２で覆い、ヒータ１５でガラス塊７を加熱し、
熱加工治具６の冷却用の貫通穴５に冷却用パイプ１１を
接続して熱加工治具６を水冷するとともに、冷却用パイ
プ１１を移動させてガラス塊の供給、加熱、冷却、取り
出しを行う。シャッター１０の開閉てヒータ１５の熱お
よびガス導入口１３から導入した雰囲気形成のガスを遮
断しながらガラス塊の供給、取り出しを行う。

第３図の光学ガラス成形体の製造装置において、ガス導
入口１３とガス排出口１４により窒素ガス２０リツタ一
／分、水素ガス２リッター／分の割合で混合した雰囲気
と、ヒータ１５により７５０°Ｃに保持した。第４図（
ａ）のように大きなオレンジマークを有したガラス塊７
を熱加工治具６に載置し、熱加工治具６を素早く装置内
に供給した。装置内で５分間加熱した後素早（取り出し
たガラス塊７を観察すると、第４図（ｂ）のようにわず
かにオレンジマークの痕が残っていた。さらに装置内で
５分間（合計１０分）加熱した後素早く取り出したガラ
ス塊３を観察すると、第４図（Ｃ）のようにオレンジマ
ークの痕がなくなっており、第１図のように上面は自由
表面１であり、下面は部分的に熱加工治具の成形面４の
転写面２でありかつその他の部分は自由表面１である光
学ガラス成形体３を得ることができた。

第６図のようにシリンダ２２を高精度に可動させて、ヒ
ータ２３に取り付けたプレス成形用金型２０及び２１で
前述の光学ガラス成形体３をプレス成形した。プレス成
形条件は金型温度５６０°Ｃプレス圧力３Ｑｋｇ／ｃ＋
ｆｌ、プレス時間２分であった。

その後３００　’Ｃまで徐冷して光学ガラス素子を取り
出した。

このような工程によって作製した光学ガラス成形体３は
転写面の表面粗さ（ＲＭ　Ｓ）が約２．５ｎｍの光学的
鏡面であり、気泡、傷５あるいは剥離跡といった欠陥は
認められず、自由表面の表面粗さ（ＲＭＳ）は約２．５
ｎｍの光学的鏡面であった。

また光学ガラス素子の表面粗さ（ＲＭＳ）は約２、Ｏｎ
ｍの光学的鏡面であり、面精度もニュートンリング２本
以内、７１５分の１本以内であり、その光学性能は極め
て優れていた。

実施例２ 熱加工治具６としてポロンナイトライドを使用し、曲率
半径が４５１１ＩＩ１１の凹形の成形面４に加工し、第
２図のように成形面４の下に内径７閣の冷却用の貫通穴
５をあけた。プレス成形用金型２０゜２１として、オー
ステナイト１ｌｉｉｌ　（ＳＵＳ３１６）を用いて曲率
半径が１５０閣の鏡面の凹金型にスパッタ法でロジウム
−金−タングステン合金（Ｒｈ−Ａｕ−Ｗ）の薄膜を形
成した。

ガラス塊７は、ジルコニア（ＺｒＯ２）８重里パーセン
ト、酸化ランタン（Ｌａ２０３）３０重量パーセント、
ホウ酸（Ｂ２０３）４２重量パーセント酸化力ルンウム
（Ｃａｂ）１０重量パーセント、残部が微量成分からな
るランタン系ガラスの研磨品約３グラムを用いた。

第３図の光学ガラス成形体の製造装置において、ガス導
入口１３とガス排出口１４により窒素ガス２０リンタ一
／分、トリクロルトリフルオルエタン（Ｃ２Ｃｊ２８Ｆ
３）ガスニリンター７分の割合で混合したハロゲン化炭
化水素雰囲気と、ヒータ１５により８８０°Ｃに保持し
た。第５図（ａ）のように円柱状のガラス塊７を熱加工
治具６に載置し、熱加工治具６を素早く装置内に供給し
た。装置内で５分間加熱した後素早く取り出したガラス
塊７を観察すると、第５図ら）のように下面の中央部が
わずかに垂れ下がり、全体的にやや丸みがあった。

さらに装置内で５分間（合計１０分）加熱した後素早く
取り出したガラス塊３を観察すると、第５図（Ｃ）のよ
うに全体的に丸みがあり、第１回のように上面は自由表
面１であり、下面は部分的に熱加工治具６の成形面４の
転写面２でありかつその他の部分は自由表面１であるガ
ラス成形体３を得ることができた。

第６図のようにシリンダ２２を高精度に可動させて、ヒ
ータ２３に取り付けたプレス成形用金型２０及び２１で
前述の光学ガラス成形体３をプレス成形した。プレス成
形条件は金型温度６８０°Ｃプレス圧力３０ｋｇ／ｃＪ
、プレス時間２分であった。

その後４００°Ｃまで徐冷して光学ガラス素子を取り出
した。

このような工程によって作製した光学ガラス成形体３は
転写面の表面粗さ（ＲＭＳ）が約２．０ｎｍの光学的鏡
面であり、気泡、傷、あるいは剥離跡といった欠陥は認
められず、自由表面の表面粗さ（ＲＭＳ）は約２．　Ｏ
ｎ　ｍの光学的鏡面であった。

また光学ガラス素子の表面粗さ（ＲＭＳ）は約２、Ｏｎ
ｍの光学的鏡面であり、面精度もニュートンリング２本
以内、アメ５分の１本以内であり、その光学性能は極め
て優れていた。

実施例３ 熱加工治具６として窒化アルミを使用し、曲率半径が２
００口の凹形の成形面４に加工し、第２図のように成形
面４の下に内径１０肛の冷却用の貫通穴５をあけた。プ
レス成形用金型２０．２１として、サーメント（ＴｉＣ
−１０Ｍｏ−９Ｎｉ）を用いて曲率半径が５００−の鏡
面の凹金型にスパッタ法で白金−タンタル−レニウム合
金（Ｐｔ−Ｔａ−Ｒｅ）の薄膜を形成した。

ガラス塊７は、シリカ（ＳｉＯ□）６５重量パーセント
酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）９重量パーセントホウ酸（Ｂ２
０８）Ｉ　Ｏ重量パーセント酸化ナトリウムＣＮａ２０
）１０重量パーセント、残部が微量成分からなるホウケ
イ酸ガラスの研磨品約３グラムを用いた。

第３図の光学ガラス成形体の製造Ｗ置において、ガス導
入口１３とガス排出口１４によりアルゴンガス２０リツ
タ一／分、エチレン（Ｃ２Ｈ□）ｌリッター７分の割合
で混合した炭化水素雰囲気と、ヒータ１５により８３０
°Ｃに保持した。第５図（ａ）のように円柱状のガラス
塊７を熱加工治具６に載置し、熱加工治具６を素早く装
置内に供給した。

装置内で５分間加熱した後素早く取り出したガラス塊３
を観察すると、第５図（Ｃ）のように全体的に丸みがあ
り、第１図のように上面は自由表面１であり、下面は部
分的に熱加工治具６の成形面４の転写面２でありかつそ
の他の部分は自由表面１であるガラス成形体３を得るこ
とができた。

第６図のようにシリンダ２２を高精度に可動させて、ヒ
ータ２３に取り付けたプレス成形用金型２０及び２１で
前述の光学ガラス成形体３をプレス成形した。プレス成
形条件は金型温度６８０°Ｃブレス圧力８０　ｋｇ／ｃ
ｄ、プレス時間１分であった。

その後３８０°Ｃまで徐冷して光学ガラス素子を取り出
した。

このような工程によって作製した光学ガラス成形体３は
転写面の表面粗さ（ＲＭＳ）が約２．５ｎｍの光学的鏡
面であり、気泡、傷、あるいは剥離跡といった欠陥は認
められず、自由表面の表面粗さ（ＲＭＳ）は約２．５ｎ
ｍの光学的鏡面であった。

また光学ガラス素子の表面粗さ（ＲＭＳ）は約２、Ｏｎ
ｍの光学的鏡面であり、面精度もニュートンリング２本
以内、アメ５分の１本以内であり、その光学性能は極め
て優れていた。

実施例４ 熱加工治具６として白金−ロジウム合金（Ｐｔ−１０Ｒ
ｈ）を使用し、曲率半径が５５皿の凹形の成形面４に加
工し、第２図のように成形面４の下に内径５加の冷却用
の貫通穴５をあけた。プレス成形用金型２０．２１とし
て、ンリコンを曲率半径が１００＋＋ｕａの鏡面の凹金
型にスパッタ法でロジウム−金−タングステン合金（Ｒ
ｈ−Ａｕ　−Ｗ）の薄膜を形成した。

ガラス塊７は、シリカ（Ｓ　ＩＯ２）　５２重量パーセ
ント、酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）６重量バーセント、酸化
鉛（Ｐｂ０）３５重量パーセント、酸化ナトリウム（Ｎ
　ａ　２０　）　５重量パーセント、残部が微量成分か
らなる重フリントガラスのゴブ品約５グラムを用いた。

第３図の光学ガラス成形体の製造装置において、ガスを
導入しない大気雰囲気と、ヒータ１５により６３０°Ｃ
に保持した。第４図（ａ）のように大きなオレンジマー
クを存したガラス塊７を熱加工治具６に載置し、熱加工
治具６を素早く装置内に供給した。装置内で５分間加熱
した後素早く取り出したガラス塊３を観察すると、第４
図（Ｃ）のようにオレンジマークの痕がなくなっており
、第１図のように上面は自由表面１であり、下面は部分
的に熱加工治具の成形面４の転写面２でありかつその他
の部分は自由表面１である光学ガラス成形体３を得るこ
とができた。

第６図のようにシリンダ２２を高精度に可動させて、ヒ
ータ２３に取り付けたプレス成形用金型２０及び２１で
前述の光学ガラス成形体３をプレス成形した。プレス成
形条件は金型温度５５０°Ｃプレス圧力８０ｋｇ／ｄ、
プレス時間１分であった。

その後３８０°Ｃまで徐冷して光学ガラス素子を取り出
した。

このような工程によって作製した光学ガラス成形体３は
転写面の表面粗さ（ＲＭＳ）が約２．０ｎｍの光学的鏡
面であり、気泡、傷、あるいは剥離跡といった欠陥は認
められず、自由表面の表面粗さ（ＲＭＳ）は約２．０ｎ
ｍの光学的鏡面であった。

また光学ガラス素子の表面粗さ（ＲＭＳ）は約２．０ｎ
ｍの光学的鏡面であり、面精度もニュートンリング２本
以内、アメ５分の１本以内であり、その光学性能は極め
て優れていた。

実施例５ 熱加工治具６としてオーステナイト鋼（ＳＵＳ３１６）
を使用し、曲率半径が１５ｍｍの凹形の成形面４に加工
し、第２図のように成形面４の下に内径７閣の冷却用の
貫通穴５をあけた。プレス成形用金型２０．２１として
、超硬合金（ＷＣ−５ＴｉＣ−８Ｃｏ）を曲率半径が２
ｏＩＩＩＩｎの鏡面の凹金型にスパッタ法で白金−イリ
ジウム−オスミウム合金（Ｐｔ−１ｒ−Ｏｓ）の薄膜を
形成した。

ガラス塊７は、シリカ（Ｓｉｎ２）３０重量パーセント
、酸化バリウム（ＢａＯ）５０重量パーセント、ホウ酸
（Ｂ２０３）１５重量パーセント、残部が微量成分から
なるホウケイ酸バリウムガラスのゴブ品約３グラムを用
いた。

第３図の光学ガラス成形体の製造装置において、ガス導
入口１３とガス排出口１４により窒素ガス２０リンタ一
／分、水素ガス２リッター／分の割合で混合した雰囲気
と、ヒータ１５により９００°Ｃに保持した。第４図（
ａ）のように大きなオレンジマークを有したガラス塊７
を熱加工治具６に載置し、熱加工治具６を素早く装置内
に供給した。装置内で１分間加熱した後素早く取り出し
たガラス塊３を観察すると、第４図（Ｃ）のようにオレ
ンジマークの痕がなくなっており、第１図のように上面
は自由表面１であり、下面は部分的に熱加工治具の成形
面４の転写面２でありかつその他の部分は自由表面ｌで
ある光学ガラス成形体３を得ることができた。

第６図のようにシリンダ２２を高精度に可動させて、ヒ
ータ２３に取りつけたプレス成形用金型２０及び２１で
前述の光学ガラス成形体３をプレス成形した。プレス成
形条件は金型温度５６０　’ＣＣブレス力３０ｋｇ／ｃ
ｆｆｌ、プレス時間２分であった。

その後３００°Ｃまで徐冷して光学ガラス素子を取り出
した。

このような工程によって作製した光学ガラス成形体３は
転写面の表面粗さ（ＲＭＳ）が約２．Ｏｎｍの光学的鏡
面であり、気泡、傷、あるいは剥離跡といった欠陥は認
められず、自由表面の表面粗さ（ＲＭＳ）は約２．０ｎ
ｍの光学的鏡面であった。

また光学ガラス素子の表面粗さ（ＲＭＳ）は約２．０ｎ
ｍの光学的鏡面であり、面精度もニュートンリング２本
以内、アメ５分の１本以内であり、その光学性能は極め
て優れていた。

なお本発明の光学ガラス成形体およびその製造方法とそ
の製造装置は、−面は自由表面であり、他面は部分的に
熱加工治具の成形面の転写面でありかつその他の部分は
自由表面であるガラス成形体、及び冷却した熱加工治具
にガラス塊を載置した状態で、ガラス塊を加熱する光学
ガラス成形体の製造方法、及び内部を貫通する冷却経路
を設けた熱加工治具を冷却する冷却手段と、ガラス塊を
載置した熱加工治具及びガラス塊を加熱する加熱手段と
を備えた光学ガラス成形体の製造装置であることを特徴
とするものであり、雰囲気、光学ガラス組成、熱加工治
具の材料、熱変形の温度と時間、プレス成形の温度と時
間、あるいは光学ガラス成形体の形状等の条件は本実施
例に限定されるものではない。

ガラス塊を受ける熱加工治具は、溶融ガラスと濡れ性が
悪く、離型性が優れて、鏡面加工し易い材料、例えばグ
ラノシーカーボン、ボロンナイトライド、窒化アルミ、
窒化クロム、ステンレス鋼、及び貴金属、タングステン
、タンタル、レニウムハフニウムの単体あるいはそれら
の合金等が適している。これらの材料はバルクの状態あ
るいは薄膜の状態で用いることができる。

本発明において、ガラス塊を加熱する雰囲気は空気中で
もあるが、好ましくはガラス塊と熱加工治具とが反応あ
るいは融着しない雰囲気は、窒素。

アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、およびこれらの不
活性ガスに水素、あるいは−酸化炭素酸化炭素の炭素酸
化物、メタン、エタン、エチレン、トルエン等の炭化水
素類、トリクロロエチレン、トリクロルトリフルオルエ
タン等のハロゲン化炭化水素類、エチレングリコール　
グリセリン等のアルコール類、Ｆ−１１３，Ｆ−１１等
のフルオロカーボン類を適宜混合したものである。

これらの雰囲気は、光学ガラス組成、熱加工治具の材料
、熱変形の温度と時間、プレス成形の温度と時間、ある
いは光学ガラス成形体の形状等の条件によって適宜選択
する。

発明の詳細 な説明したように、本発明の光学ガラス成形体およびそ
の製造方法とその製造装置は、冷却した熱加工治具にガ
ラス塊を載置した状態で、ガラス塊を加熱すると、熱加
工治具と接触しない面ば熱変形して鏡面状態の自由表面
であり、熱加工治具と接触した面は熱加工治具の成形面
の転写面でありかつその他の部分は自由表面である光学
ガラス成形体になる。さらにこの光学ガラス成形体をプ
レス成形用金型で加熱加圧成形することにより、表面に
欠陥のない高精度な光学ガラス素子を製造することがで
きる。

すなわち、本発明によって高精度な光学ガラス素子の大
量生産が可能になり、生産性の向上と製造コストの低減
に著しい効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は光学ガラス成形体の断面図、第２図は熱加工治
具の断面図、第３図は光学ガラス成形体の製造装置の断
面図、第４図はゴブ品の熱変形を示す断面図、第５図は
研磨品の熱変形を示す断面図、第６図は光学ガラス成形
体のプレス成形を示す断面図である。 ■・・・・・・自由表面、２・・・・・・転写面、３・
・・・・・光学ガラス形成体、４・・・・・・成形面、
５・・・・・・貫通穴、６・・・・・・熱加工治具、７
・・・・・・ガラス塊、１０・・・・・・シャンク−１
１１・・・・・・冷却用パイプ、１２・・・・・・断熱
壁、１３・・・・・・ガス導入口、１４・・・・・・ガ
ス排出口、１５・・・・・・ヒータ、２０・・・・・・
プレス成形用金型、２１・・・・・・プレス成形用金型
、２２・・・・・・シリンダ、２３・・・・・ヒータ。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　は力川名第 図 第 図 第 図 （−ガ点覚 ２−一一転牢面 ？ 第 図 第 図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱加工治具の成形面に接する部分の転写面と、自
   由表面からなる光学ガラス成形体。
2. （２）冷却した熱加工治具にガラス塊を載置した状態で
   、ガラス塊を加熱する光学ガラス成形体の製造方法。
3. （３）成形面と、内部を貫通する冷却経路とを設けた熱
   加工治具。
4. （４）内部を貫通する冷却経路を設けた熱加工治具を冷
   却する冷却手段と、ガラス塊を載置した熱加工治具及び
   ガラス塊を加熱する加熱手段とを備えた光学ガラス成形
   体の製造装置。
5. （５）請求項（１）記載の光学ガラス成形体をプレス成
   形用金型で加熱加圧成形する光学ガラス成形体の製造方
   法。