JPH08133755A

JPH08133755A - 光学素子成形用ブランクおよびその製造法、製造装置

Info

Publication number: JPH08133755A
Application number: JP27351594A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Nakai; 靖行中居; Tetsuo Kuwabara; 鉄夫桑原; Sunao Miyazaki; 直宮崎; Masayuki Tomita; 昌之冨田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-11-08
Filing date: 1994-11-08
Publication date: 1996-05-28

Abstract

(57)【要約】【目的】ガラスブランクを用いてプレス成形する際
に、形表面の転写精度を高く維持できるように、ガラス
ブランク内の揮発成分による汚損を回避できるように、
ガラスブランク自体を改善した光学素子成形用ガラスブ
ランク、および、その製造法、製造装置を提供する。【構成】ガラスよりなる光学素子のプレス成形に用い
るガラスブランクにおいて、ガラスブランク表面に窒化
処理を施している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラスよりなる光学素
子のプレス成形に用いるガラスブランクおよびその製造
法、製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、所定の表面精度を有する成形用型
内に、光学素子成形用のガラス素材、例えば、ある程度
の大きさ、形状および成形表面精度に予備成形されたガ
ラスブランクを収容して、加熱下でプレス成形すること
により、高精度光学機能面を有する光学素子を製造する
方法が開発されている。この光学素子の製造法では、従
来のような、研削及び研磨などの後工程が不要となる。

【０００３】しかし、光学ガラスには、Ｂ₂Ｏ₃やアル
カリ金属、アルカリ土類金属などの揮発しやすい成分が
多く含まれており、プレス成形時、加熱した光学素子成
形用ガラスブランクから揮発した、前述の成分が、金型
の成形面に付着、堆積し、型の表面精度を悪化し、継続
して、高精度の光学素子を得ることが困難となる。

【０００４】そこで、現在、ガラス表面から揮発成分を
減らすために、ガラスブランクを酸に浸漬させ、揮発成
分を溶出する方法（特開昭６２−２０７７２８号公報）
や、アルカリキレート混合溶液による、ガラスブランク
の表面処理（特開平２−３８３３７号公報）などが提案
されている。

【０００５】一方、ガラスブランクの窒化処理という点
では、オキシナイトガラスの製造法が知られている。一
例を上げると、窒素の化合物を加えたガラス原料をＢＮ
ルツボなどに入れ、窒素やアルゴンガス雰囲気中で溶融
する方法（専門誌「機能材料」１９８９年１月号に所
載）などがある。また、ガラスと高膨張金属との気密封
着を実現するために、リン酸系ガラスの、アンモニアに
よる表面処理（米国特許明細書第５，０４５，５０８
号）が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、次のような課題があった。（１）酸の溶液の使用：特開昭６２−２０７７２８号
に所載の技術に示されるように、従来、ガラス素材の表
面処理に、フッ化水素酸や硝酸が、一般的に使用され
る。酸による表面処理は、極めて効果的ではあるが、莫
大な量の酸の溶液を使用しなければならず、そのため、
多数の処理槽の設置や廃液処理設備などの設備に可成り
のコストが掛かる欠点がある。（２）ｐＨ調整が困難：酸による表面処理を行う場
合、表面処理スピードは、使用する処理液のｐＨに大き
く依存する。そのため、毎回、均一の表面処理を行うた
めに、処理液のｐＨ管理を、極めて厳密に行う必要があ
る。また、表面処理スピードは、温度の関数でもあり、
処理液の一定温度制御が必要である。なぜならば、一般
的な酸による表面処理は発熱反応であり、莫大な量の処
理液で行わない限り、表面処理時、時々、刻々と処理液
の温度が変化するからである。（３）バルクのオキシナイトガラスはプレス成形が困
難：従来、作られているオキシナイトガラスは、窒化
により強度アップが図られるが、その一方で、ガラス転
移点が上昇し、８００〜１０００℃になることが知られ
ている。この温度でプレス成形を行うには型材の劣化が
著しく、揮発物が出にくい構造ではあるが、実用上は極
めて不向きである。その上、窒化されたバルクのガラス
は、その構造から、可視光領域での光学素子としての機
能も低い。（４）アンモニア表面処理による封着用ガラス：前述
の米国特許明細書に記載の封着用ガラスは、高熱膨張ガ
ラス（リン酸系）の表面処理を行い、表面の熱膨張率を
高く維持しつつ、耐久性を上げ、金属との封着を可能と
するものである。この特許では、窒化処理厚が１μｍ〜
１０μｍの規定がなされているが、この処理厚での窒化
処理を光学素子用ブランクに施し、その後にプレス成形
を行っても、成形品全面にクラックを生じてしまう（表
層クラック）。また、その処理厚が１μｍ以上である
と、表層の窒化処理層が、後に、光学素子としての機能
を損なうものとして働いてしまう。

【０００７】

【発明の目的】本発明は、上記事情に基づいてなされた
もので、ガラスブランクを用いてプレス成形する際に、
形表面の転写精度を高く維持できるように、ガラスブラ
ンク内の揮発成分による汚損を回避できるように、ガラ
スブランク自体を改善した光学素子成形用ガラスブラン
ク、および、その製造法、製造装置を提供することを目
的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するため、本発明では、光学素子のプレス成形に用い
るガラスブランクにおいて、その表面も窒化処理を施し
ている。即ち、本発明では、プレス成形における成形用
素材としてのガラスブランクの、少なくとも、光学機能
面が形成される表面を窒化させることにより、成形時
に、揮発するガラス成分であるアルカリ金属イオンやア
ルカリ土類金属イオンなどを、予め、固定化することに
より、成形時のガラス成分の揮発を抑えるのである。

【０００９】また、本発明では、アルカリ金属イオン、
アルカリ土類金属イオンなどの動きを封じるために、従
来の高度な制御が必要な湿式方式ではなく、簡便なイオ
ンビームでの処理を採用している。

【００１０】一方、従来のバルクのオキシナイトガラス
とは異なり、ガラスブランクの最表面のみを窒化処理す
ることにより、ガラス内部は、所望の光学特性を維持で
き、しかも、ガラスブランク表層部からの揮発性ガラス
成分の揮発を抑える効果が得られる。

【００１１】また、前述のような封着用ガラスの窒化処
理の場合には、熱膨張率を高く維持するために、窒化処
理層を１μｍ〜１０μｍ設けなければならないので、前
記窒化処理に数時間掛かるのに対して、本発明に係わる
光学素子成形用ブランクの場合には、その窒化処理が、
表層部の厚さ：５００ｎｍ以下で十分なため、短時間の
処理が可能となる。さらに、短時間でのブランク表層処
理のため、溶融ブランクを作成する際に、直接、窒化処
理が可能となり、インラインで、溶融ガラスから光学素
子の製造までが一貫して達成できる。

【００１２】

【実施例】

〔実施例１〕図１は、本発明にかかわる光学素子成形用
ブランクの一つの実施様態を示すものである。図中、符
号１は処理前のブランクであり、２は窒化処理された表
面層（断面図）を示す。このガラスブランクは、図２に
示すガラス素材表面処理装置に設置される。図２におい
て、符号３は真空槽、４はイオンビーム装置、５はイオ
ン化室、６はガス導入口、７はイオンビーム引出しグリ
ット、８はイオンビーム、９はイオンビーム遮断壁、１
０はガラスブランク固定治具、１１および１２は排気口
を示す。

【００１３】ここでは、先ず、予め、表面を洗浄し、汚
れや埃を除去した、ガラス素材１としてのリン酸系ガラ
スブランク（ＳＦ６相当）を、図２に示すガラスブラン
ク固定治具に設置した後、気密室（真空槽内）を４×１
０^-3Ｐａまで減圧する。次に、ガス導入口６より、アル
ゴンガスを１０ＳＣＣＭの流量でイオン化室５に導入
し、イオン化した後、イオンビーム引出しグリット７に
５００Ｖの電圧を印加して、イオンビームを引出し、ガ
ラス素材１の両面に５分間照射して、ガラスブランク表
面の高精度洗浄を行った。

【００１４】次に、窒素ガスを３０ＳＣＣＭの流量でイ
オン化室５に導入して、ガス圧：３．５×１０^-2Ｐａと
し、加速電圧１ＫｅＶで、イオンビームを引出し、ガラ
スブランクに照射して、厚さ：５０ｎｍの窒化処理層を
形成した。この時、電流密度：０．１ｍＡ／ｃｍ²とし
た。この時の、ＸＰＳによる分析結果は、窒素が３０ａ
ｔｏｍｉｃ％であった。また、エリプソメーターで測定
したガラスブランク表面の窒化処理の厚さは５０ｎｍで
あった。

【００１５】次に、本発明による光学素子成形用ブラン
クによってプレス成形を行った例を示す。図３は成形装
置を示しており、図中、符号５１は真空槽本体、５２は
そのフタ、５３は光学素子を成形するための上型、５４
はその下型、５５は上型を押えるための上型押え、５６
は胴型、５７は型ホルダー、５８はヒーター、５９は下
型を突き上げる突き上げ棒、６０はその突き上げ棒を作
動するエアシリンダ、６１は油回転ポンプ、６２，６
３，６４はバルブ、６５は不活性ガス流入パイプ、６６
はバルブ、６７はリークバルブ、６８はバルブ、６９は
温度センサ、７０は水冷パイプ、７１は真空槽を支持す
る台を示す。

【００１６】このような装置でレンズを製作する工程
を、次に述べる。フリント系光学ガラス（ＳＦ６）を、
所定の量に調整したガラスゴブを、型のキャビティ内に
置き、これを成形装置内に設置する。なお、型材には、
その成形面（超硬材）上にＴｉＮを成膜し、更に、硬質
炭素膜を成膜したものを用いた。そして、ガラス素材を
投入した型を装置内に設置してから、真空槽５１のフタ
５２を閉じ、水冷パイプ７０に水を流し、ヒーター５８
に電流を流す。この時、窒素ガス用バルブ６６及び６８
は閉じ、排気系バルブ６２，６３，６４も閉じている。
なお、油回転ポンプ６１は常に回転している。

【００１７】バルブ６２を開け、排気を開始してから１
Ｐａ以下になったらバルブを閉じ、バルブ６６を開い
て、窒素ガスをボンベより真空槽内に導入する。所定の
温度になったらエアシリンダ６０を作動させて、１．５
Ｐａの圧力で、１分間の加圧を行う。更に、圧力を解除
した後、冷却速度：−５℃・ｍｉｎで、温度が転移点以
下になるまで冷却し、その後は、−２０℃／ｍｉｎ以上
の速度で冷却を行って、２００℃以下に下がったら、バ
ルブを閉じ、リークバルブ６３を開いて、真空槽５１内
に空気を導入する。それから、フタ５２を開け、上型押
えを外して、成形物を取り出す。上記のようにして、フ
リント系光学ガラス（屈伏点Ａｔ＝５８６℃、転移点Ｔ
ｇ＝５４１℃）を使用して、レンズを成形した。

【００１８】以上のようなプレス行程により、３０００
回成形した後の型部材の成形面及び成形された光学素子
の表面粗さ、並びに、型部材と成形された光学素子との
離型性について検討した結果は、良好であった。特に、
型部材の成形面について、光学顕微鏡、走査電子顕微鏡
（ＳＥＭ）で観察しても、傷やクラックなどの欠陥やガ
ラス成分の反応析出物、ガラスの融着は認められなかっ
た。〔実施例２〕図４に示す装置は、アンモニアガス雰囲気
によるガラスブランク表面処理装置である。図中、符号
２０は真空槽、２１はガラスブランク、２２はガラスブ
ランク固定治具及びヒーター、２３は排気口、２４は高
温アンモニアガス導入口である。

【００１９】先ず、ガラス素材としてのリン酸系ガラス
ブランク（ＳＦ６相当）を予め洗浄し、汚れや埃を除去
した後、図２に示すガラスブランク固定治具２２に設置
した後、真空槽２０内を５×１０^-1Ｐａまで減圧した。
次に、ガラスブランク固定治具付属のヒーターで、ガラ
スブランクを５００℃に加熱しつつ、約３００℃に加熱
したアンモニアガスを真空槽２０内に導入し、２時間保
持し、光学素子成形用ブランクの表面処理を行った。こ
の時のＸＰＳによる分析結果は、窒素が３５ａｔｏｍｉ
ｃ％であった。また、エリプソメーターで測定したガラ
スブランクの表面処理の厚さは５０ｎｍであった。

【００２０】次に、実施例２に示した方法と同等の光学
素子成形用ブランクによって、プレス成形を行った。そ
の結果、５０００回成形した後の型部材の成形面及び成
形された光学素子の表面粗さ、並びに、型部材と成形さ
れた光学素子との離型性について検討したが、その結果
は良好であった。特に、型部材の成形面について、光学
顕微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察しても、傷や
クラックなどの欠陥やガラス成分の反応析出物、ガラス
の融着はなかった。〔実施例３〕図５は、本発明に係わるガラスブランクの
製造について、これを、一貫系列による光学素子成形装
置の一つの実施様態で説明する。図６において、符号１
００はガラス溶融炉、１０１は置換室、１０２は表面処
理室、１０３は成形機置換室、１０４は成形機、１０５
は置換室である。

【００２１】白金溶融ルツボ１０６中で、ルツボ加熱用
ヒーター１０７により、１２００℃に加熱溶融された溶
融光学ガラス１１０を、流出ノズル１０８の温度を１０
５０℃に保持しつつ、流出ノズル１０８から液滴状に流
出させた。この液滴状溶融光学ガラス１１０の温度は、
１０００℃であった。

【００２２】受け型１１１はカーボン系の材質により作
られており、ガラス受け面は凹形状球面で、半径：Ｒ＝
１０ｍｍにて加工されている。図６は、この受け型の構
造を示している。図６において、符号１１１は受け型で
あり、２０１は受け型を保持するために、受け型１１１
の外周部に配置されている受け型治具であり、２０２
は、受け型１１１を受け型固定治具２０１に断熱的に保
持するための断熱保持部材であり、２０３は受け型を昇
降するための昇降棒であり、２０４は受け型固定治具２
０１と昇降棒２０３を連結する連結棒であり、２００は
受け型を加熱するためのヒーターブロック部材であり、
２０５はヒーターブロック部材２００を上下に駆動させ
るためのエアシリンダであり、２０６はヒーターブロッ
ク部材２００とエアシリンダ２０５を連結するためのバ
ネ部材である。

【００２３】ここでは、溶融光学ガラス１１０を受ける
前に、ヒーターブロック部材２００を受け型１１１に接
触させ、受け型１１１を加熱する。受け型１１１の温度
が、６００℃になった時に、ヒーターブロック部材２０
０から解離する。そして、流出ノズルから液滴状に流出
する溶融光学ガラス１１０を、事前に加熱された受け型
１１１に受け、受け型１１１に受けた溶融光学ガラス１
１０の重量が１．５ｇに達した後、直ちに、受け型１１
１を下方に下降させ、溶融光学ガラス１１０を引き伸ば
すことにより、切断し、シャーマークのない高温軟化状
態のガラス塊（図５において符号１１２で示す）を得
た。

【００２４】続いて、置換室１０１のエアーロックバル
ブ１１３を閉鎖し、バルブ１２０を開け、ロータリーポ
ンプ１４０にて置換室内を排気し、排気後、バルブ１２
０を閉じ、バルブ１２５を開け、アンモニアガス加熱装
置１１５にて、予め３００℃に加熱された高温アンモニ
アガスを置換室に導入する。置換工程が終了した時点で
のガラス塊の温度は、約７００℃であった。次に、ゲー
トバルブ１１４を開け、予め高温アンモニアガスで置換
されている表面処理室１０２へ、受け型１１１上のガラ
ス塊を、旋回ハンド１１７にて搬入し、搬送型１１８上
に設置し、１時間、高温アンモニアガス中で表面処理を
行う。なお、この時、ヒーター１１６により、ガラス塊
の温度が５８０℃を保持するように、温度制御がなされ
ている。

【００２５】表面処理が終了した後、ゲートバルブ１３
０を開け、旋回ハンド１１９により処理済ガラス塊を成
形機置換室１０３に設置し、ゲートバルブ１３０を閉
じ、バルブ１２２を開け、成形機置換室１０３を排気す
る。排気後には、バルブ１２２を閉じ、バルブ１２７を
開け、窒素ガスを導入する。更に、窒素ガス置換終了
後、ゲートバルブ１３１を開け、旋回ハンド１３２によ
り下型１３３の上に置いた。なお、上型１３４及び下型
１３３の材質は超硬合金であり、光学素子成形面は凹形
状に、上型は半径：１０ｍｍ、下型は半径：１３ｍｍ
に、研磨されており、その表面にはＴｉＮが成膜されて
おり、成形最表面は水素化アモルファスカーボンでコー
ティングされている。

【００２６】この際の上型１３４及び下型１３３は、５
３０℃に加熱保持されている。下型１３３の上に載せら
れたガラス塊１３５の、プレス直前温度は６４０℃であ
った。２０００Ｎの力で、ガラス塊１３５をプレス成形
したところ、５秒で、プレスは終了し、成形光学素子１
３６が得られた。その後、成形光学素子１３６を２０秒
間、上型１３４と下型１３３に密着させた状態で保持
し、型温度を４００℃まで冷却し、成形光学素子１３６
内の温度分布が無くなった後、上型１３４を上昇し、型
開きした。

【００２７】続いて、予め窒素雰囲気となっている置換
室へ、得られた成形光学素子１３６を送るため、ゲート
バルブ１３７を開け、旋回ハンド１３８で、成形光学素
子１３６を置換室へ搬送し、開閉口１３９から大気中に
搬出した。本実施例により得られた光学素子は、外観上
の欠陥もなく、光学面の面精度も優れたものであった。
また、本実施例の成形を３０００回連続して行っても、
型の劣化は殆どなく、得られた成形光学素子も極めて良
好なものであった。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光学素子
成形用ブランクによれば、ブランク最表面に窒化処理層
を設け、成形時にブランクからの揮発成分の蒸発を減ら
すことにより、型へのガラス成分付着物を減じ、また、
型の離型層の消耗を抑えることに成功した。さらに、こ
のブランクを用いてプレス成形を行っても、型劣化が少
なく、成形品の曇りや傷のない良好な光学素子が得られ
た。

【００２９】また、本発明により得られた光学素子成形
用ブランクを用いることにより、生産性の向上とコスト
ダウンを実現することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる光学素子成形用ブランクの一例
を示す断面図である。

【図２】本発明に係わる光学素子成形用ブランクの表面
処理を行なう装置の概略図である。

【図３】本発明に係わる光学素子成形用ブランクを使用
するレンズ成形装置を示す断面図で非連続タイプであ
る。

【図４】本発明に係わる光学素子成形用ブランクの表面
処理を行なう装置の概略図である。

【図５】本発明に係わる光学素子成形用ブランクを使用
する別のレンズ成形装置を示す断面図である。

【図６】本発明に係わる光学素子成形用ブランクを製造
する際の受け型の構造を示す図である。

【符号の説明】

１光学素子成形用ブランク２光学素子成形用ブランクの表面処理層３真空槽４イオンビーム装置５イオン化室６ガス導入口７イオンビーム引き出しグリット８イオンビーム９イオンビーム遮断壁１０ガラスブランク固定治具１１排気口１２排気口２０真空槽２１ガラスブランク２２ガラスブランク固定治具及びヒーター２３排気口２４高温アンモニアガス導入口５１真空槽本体５２フタ５３上型５４下型５５上型押え５６胴型５７型ホルダー５８ヒーター５９突き上げ棒６０エアシリンダ６１油回転ポンプ６２バルブ６３バルブ６４バルブ６５不活性ガス流入パイプ６６バルブ６７リークバルブ６８バルブ６９温度センサ７０水冷パイプ７１真空槽を支持する台１００ガラス溶融炉１０１置換室１０２表面処理室１０３成形置換室１０４成形室１０５置換室１０６白金溶融ルツボ１０７ルツボ加熱用ヒーター１０８流出ノズル１１０溶融光学ガラス１１１受け型１１２高温軟化状態のガラス塊１１３エアーロックバルブ１１４ゲートバルブ１１５アンモニアガス加熱装置１１６ヒーター１１７旋回ハンド１１８搬送型１１９旋回ハンド１２０バルブ１２１バルブ１２２バルブ１２３バルブ１２４バルブ１２５バルブ１２６バルブ１２７バルブ１２８バルブ１２９バルブ１３０ゲートバルブ１３１ゲートバルブ１３２旋回ハンド１３３下型１３４上型１３５ガラス塊１３６成形光学素子１３７ゲートバルブ１３８旋回ハンド１３９開閉口１４０ロータリーポンプ２００ヒーターブロック部材２０１受け型固定治具２０２断熱保持部材２０３昇降棒２０４連結棒２０５エアシリンダ２０６バネ部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者冨田昌之東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラスよりなる光学素子のプレス成形に
用いるガラスブランクにおいて、ガラスブランク表面に
窒化処理を施したことを特徴とする光学素子成形用ブラ
ンク。
【請求項２】ガラスブランクより、プレス成形によっ
て光学素子を成形するに先立って、前記ガラスブランク
を製造する方法において、所定の大きさ、形状に成形さ
れたガラスブランクに、窒素イオンビームを照射するこ
とにより、前記ガラスブランクの最表面を窒化処理する
ことを特徴とする光学素子成形用ブランクの製造法。
【請求項３】ガラスブランクより、プレス成形によっ
て光学素子を成形するに先立って、前記ガラスブランク
を製造する装置において、所定の大きさ、形状に成形さ
れたガラスブランクに対峙して、少なくとも、光学素子
の光学機能面に対応する両表面にガン口を相対向して、
イオンガンを配設してなり、そのイオンガンにより、窒
素イオンビームを前記ガラスブランクの両面に、同時に
照射して、前記ガラスブランク最表面を窒化処理するよ
うに構成したことを特徴とする光学素子成形用ブランク
の製造装置。
【請求項４】ガラスブランクを溶融ガラスから成形す
る光学素子成形用ブランクの製造の際、そのガラスブラ
ンクの成形の雰囲気に、アンモニアガスを用いることを
特徴とする請求項２に記載の光学素子成形用ブランクの
製造法。
【請求項５】ガラスブランクの窒化処理を、その後の
ガラス成形工程に直接、繋げたことで、ガラス素材から
の、光学素子の一貫成形を達成するようにしたことを特
徴とする請求項２に記載の光学素子成形用ブランクの製
造法。
【請求項６】ガラスブランク表面に対する窒化処理
を、処理厚１μｍ以下で、施したことを特徴とする請求
項２に記載の光学素子成形用ブランクの製造法。