JPH09295817A

JPH09295817A - 光学素子の成形方法

Info

Publication number: JPH09295817A
Application number: JP10762396A
Authority: JP
Inventors: Sunao Miyazaki; 直宮崎; Kiyoshi Yamamoto; 潔山本; Masashi Mashige; 雅志真重
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 1997-11-18

Abstract

(57)【要約】【課題】プレス成形に際して、型部材との反応性が少
ない円柱状プリフォームを得ると同時に、その円柱状プ
リフォームから、ガス残りを発生することなく、所望の
面精度で、メニスカスレンズを安価に製造する光学素子
の成形方法を提供する。【解決手段】第１の型部材と第２の型部材とからなる
１対の成形型を用いて、加熱下でガラスをプレス成形す
ることによりメニスカス状の光学素子を製造する方法に
おいて、光学素子成形用ガラス素材として、平面部を鏡
面とした円柱状ガラスを、１０³Ｐａ以下の雰囲気で、
前記ガラスの屈伏点以上の温度に加熱し、自重変形によ
り、片面が凸形状、他面が凹形状になるように、熱変形
させたものを用いることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、メニスカス状の光
学素子を、円柱状のガラス素材から、プレス成形で製造
する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、メニスカス状の光学素子をガラス
素材から成形する際には、プリフォームとして、ボール
状ガラス素材、レンズ状ガラス素材（以上、研磨により
作製）、あるいはガラスゴブ（溶融ガラスより直接的に
作製）が用いられてきた。この場合、型部材（特に、光
学機能面の転写のための成形面）とプリフォームとの間
に残留ガスが存在すると、成形されたレンズ表面に残留
ガスによる窪みが生じるので、残留ガスが発生しないよ
うに、型部材とプリフォームとが、中心部から周辺部に
向けて順次、接触するように、適宜、プリフォームの形
状を整えていた。

【０００３】また、平板状のプリフォームから成形する
ことにより、コストを下げる試みが、既に、特開平５−
３１９８３６号公報や、特開平６−９２２８号公報に開
示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例には次のような問題点があった。すなわち、ボール
状ガラス素材をプリフォームとする場合には、ボール状
にガラスを研磨するのに多大な時間と労力がかかるた
め、コストが高くなる。また、メニスカスレンズを成形
するには、そのプリフォームからの変形量が大きくなる
ので、成形による応力の蓄積により、成形後、レンズが
割れたり、所要の面精度が出ないという欠点がある。

【０００５】レンズ状ガラス素材は、光学素子成形用の
ガラス素材として理想的であるが、一旦、研磨作業を経
て、球面レンズを作り、これをプリフォームとして使用
するので、最もコストが高く付くのが欠点である。ま
た、ガラスゴブから直接、プレス成形する方法は、最も
コストが安いが、溶融ガラスから作るため、形状の自由
度が少なく、光学系で要求するような、希望の形状が得
られない場合がある。

【０００６】特開平５−３１９８３６号公報に開示され
た方法では、平板に熱をかけ、その外周から圧力をかけ
て変形させるため、プレス成形の装置及び工程が複雑と
なり、安価なプリフォームが得られない。

【０００７】特開平６−９２２８号公報には、平板状の
プリフォームを段階的に加圧して、成形面でガス残りが
生じないように、プレス成形する方法が開示されている
が、この方法では、段階的に加圧を行うので、成形に時
間がかかるとともに、成形装置が複雑で、高価なものと
なる。

【０００８】本発明では、上記事情に基づいてなされた
もので、プレス成形に際して、型部材との反応性が少な
い円柱状プリフォームを得ると同時に、その円柱状プリ
フォームから、ガス残りを発生することなく、所望の面
精度で、メニスカスレンズを安価に製造することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、プリフォームとして、平面部を鏡面とし
た円柱状ガラスで、かつ、そのガラスは１０³Ｐａ以下
の雰囲気におけるガラスの屈伏点以上の加熱による自重
変形によって、熱変形して、片面が凸形状であり、他面
が凹形状となっているものを、プレス成形に際して採用
することを特徴とする。

【００１０】上記構成であれば、メニスカスレンズを成
形する際に、レンズの凸面を成形する型部材に対応する
プリフォームの面として凸形状の面を、レンズの凹面を
成形する型部材に対応する他方のプリフォームの面とし
て凹形状の面を、予め、プリフォームしているので、こ
れを用いれば、型部材とプリフォームとは、中心部分か
ら周辺に向けて、順次、接触するので、成形面におい
て、ガス残りが発生しない。

【００１１】また、このために、ガラスを熱変形可能な
温度で、１０³Ｐａ以下の雰囲気におくと、ガラス表面
から易揮発成分が揮発除去される。その結果、プリフォ
ーム表面から型部材と反応し易い成分が無くなり、型の
耐久性がのびるメリットも得られる。特に、この発明で
は、ガラスの変形工程において、上述のようなプリフォ
ームの表面処理が含まれるので、そのための特別な工程
を必要とせず、コスト的にも有利である。

【００１２】また、本発明では、ガラスを、その屈伏点
以上に加熱して、ガラスの熱変形をもたらすが、これ
は、ガラスの屈伏点以上では、ガラスが容易に自重変形
するためである。また、自重変形によるので、従来のよ
うな形状変化のための可動部をもつ必要がなく、装置の
規模を小型化でき、通常、ガラス素材をのせるヤトイと
溶融ガラス原料を供給する炉とがあれば、十分であっ
て、バッチ処理ができる。従って、ここでは、所要の光
学素子が安価に製造できる。

【００１３】更に、本発明では、プリフォームの、自重
変形により形成された凸形状の面が、成形で得られるメ
ニスカスレンズの凸面の曲率半径よりも小さく、かつ、
前記自重変形により形成された凹形状の面が、成形で得
られるメニスカスレンズの凹面の曲率半径よりも大きく
なっているので、成形の際に、ガラスの中心部から周辺
部に向けて型部材に接触し、変形が行なわれる。したが
って、ガラスの周辺部から型に接触して変形が行なわれ
た従来の場合における、型部材とガラス素材との間にガ
スが閉じこめられる、所謂、ガス残りの発生が無くな
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）図１は、本発明の特徴を最もよく
表す実施の形態を示した成形用型の断面図であり、図１
の（ａ）は加熱前の状態、図１の（ｂ）は加熱後の状態
である。同図において、符号１は、加熱前の光学素子成
形用の円柱状ガラス素材（プリフォーム）であり、直径
２２ｍｍ×高さ１０ｍｍの光学ガラス：ＳＫ１２（ガラ
ス転移点５５０℃、屈伏点５８８℃、比重３．１９）で
ある。ガラス素材１の側面は、研削加工により仕上げて
あり、平面部は、研磨により鏡面に仕上げてある。

【００１５】また、符号２は、加熱後の円柱状ガラス素
材であり、後述する熱処理によって自重変形し、上側の
面が、凹面形状（曲率半径約２００ｍｍ）に、下側の面
が凸面形状（曲率半径約１００ｍｍ）になっている。な
お、符号３は、熱処理用のヤトイであり、材質はカーボ
ンで、プリフォーム１を載せる部分が外径２４ｍｍ、内
径２３ｍｍ、高さ２ｍｍの座ぐり穴になっている。ま
た、図示はしていないが、実際には、同様のヤトイが多
数個、用意されており、バッチ処理で、１連続作業の都
度、数千個のプリフォームが処理できるようになってい
る。

【００１６】図１の（ａ）の構成において、まず、ヤト
イ３の溝穴の底面の縁にプリフォーム１の縁を支えた状
態で、ヤトイ３にプリフォーム１を載せ、次に、このヤ
トイ３を電気炉（図示せず）に入れ、真空ポンプ（図示
せず）を作動させて、電気炉内部を所定の真空度にして
から、加熱する。電気炉の温度が、所定の温度（Ｔ℃）
に達したならば、一定の時間、この温度に保持する。そ
の後、電気炉のヒーターを切り、放冷し、１００℃以下
になったところで、とり出すのである。その結果、プリ
フォーム１は、図１の（ａ）の状態から（ｂ）の状態
（符号２）に変形するのである。これを、実験のテスト
結果として、以下の表１に示す。

【００１７】

【表１】次に、上記のようにして作られたプリフォーム２を用い
て、精密なプレス成形を行い、完成品を作った。図２
は、その際、使用した型部材の構成を示す模式図であ
り、同図において、符号４は上型部材であり、ガラスを
成形する部分の直径は１６ｍｍ、曲率半径は９ｍｍであ
る。また、５は下型部材であり、ガラスを成形する部分
の直径は２２ｍｍ、曲率半径は１５０ｍｍである。６は
胴型であり、上型部材４と下型部材５の相互の軸ずれを
なくし、かつ、例えば、上型部材のフランジに上縁を衝
接することで、所定の光学素子の厚みになるように、任
意の高さに構成してある。

【００１８】また、符号７は加圧リングであり、この実
施の形態のように、レンズの周辺部に、圧力がかかり難
いレンズの場合に用いる。また、符号２は、前述した光
学素子成形用のガラス素材である。なお、上型部材４の
上部には、エアーシリンダー（図示せず）が連結されて
おり、所望の圧力を掛けられるようになっている。さら
に、ヒーター（図示せず）によって、上記構成の型部材
を、所望の温度まで加熱できるようになっている。

【００１９】上記の構成により、精密なプレス成形を行
った。精密成形は、図２のように、セットされた成形用
の型一式をチャンバーに入れ、Ｎ₂置換した後、型一式
全体を、ヒーター（図示せず）により、ＳＫ１２ガラス
の屈伏温度と軟化温度との間において設定した温度（こ
の実施の形態では６２０℃）に加熱し、プリフォーム２
の温度が６２０℃になった時に、エアーシリンダーによ
り、上型部材４を加圧して、上型部材４のフランジが胴
型６の上縁に当たるまで降下し、プレス成形するのであ
る。

【００２０】この実験結果を表２に示し、また、その耐
久ｎ増しテスト結果を表３に示す。

【００２１】

【表２】

【００２２】

【表３】表１によれば、電気炉の保持温度をガラスの屈伏点より
低くした場合には、ほとんどプリフォームに変形が起こ
らず、保持時間を極端に長くしても、わずかに変形する
のみであった。一方、屈伏点以上では、数時間から数分
で、十分な変形がおこった。これは、量産を考えても、
十分に満足できる結果である。

【００２３】また、表２によれば、ガラスの屈伏点以上
で熱処理したものは、ガス残りの発生が無く、良品のレ
ンズが得られたのに対して、熱処理が屈伏点より低いも
のでは、ガス残りが発生したのである。また、比較のた
めに、ボールブランクを使用した例では、変形量が多い
ため、成形による応力の蓄積により、成形品に割れが発
生した。

【００２４】更に、表３によれば、熱処理時の電気炉の
内圧が１０³Ｐａ以下のものは、型の耐久性として、成
形が５０００ｓｈｏｔをクリアするのに対して、１０³
Ｐａより大きな内圧のものでは、途中で、型部材とガラ
スとが融着し、型の耐久性が十分ではない。（第２の実施の形態）図５には、ヤトイ９を用いた第２
の実施の形態が示されている。即ち、ヤトイ９は、カー
ボン製で、成形面には、径２４ｍｍ、曲率半径１００ｍ
ｍの凹形状のくぼみ１０が形成されている。なお、図５
の（ａ）はプレフォームの加熱前の、また、図５の
（ｂ）はその加熱後を示す。その他は、第１の実施の形
態と同じ構成である。なお、ガラス材料１１は、オハラ
Ｓ−ＮＰＨ１に変更した。このＳ−ＮＰＨ１は、鉛を含
まない重フリント系光学ガラスであり、ｎｄ＝１．８０
８００、ｖｄ＝２２．７、ガラス転移点：５６３℃、屈
伏点：５８９℃、比重：３．２９で、その組成は表４の
通りである。

【００２５】

【表４】ここでは、第１の実施の形態と同様に、ヤトイ９にプリ
フォーム１１を載せ、次に、ヤトイ９を電気炉（図示せ
ず）に入れ、次に、電気炉に付属した真空ポンプ（図示
せず）を作動させて、電気炉内を所定の真空度にする。
次に、電気炉のヒーターをオンにして、加熱を開始し、
電気炉の温度が所定の温度（Ｔ℃）に達したならば、一
定の時間、その温度を保持するのである。その後、電気
炉のヒーターを切り、真空ポンプを停止して、電気炉を
リークして、大気圧にもどし、放冷する。１００℃以下
になったところで、とり出したところ、プリフォーム１
１は、図５の（ａ）の状態から（ｂ）の状態（符号１２
で示す）に変形していた。そのテスト結果は、表５に示
されている。

【００２６】

【表５】また、真空中で、変形後のプリフォーム（実施例６）の
表面分析の結果（ＳＩＭＳ）を図３に示す。

【００２７】表５では、真空中でも、第１の実施の形態
と同様の、変形結果が得られ、好適な電気炉の温度は、
屈伏点以上であることが解る。また、図３から、型との
反応性の高いアルカリ成分（Ｎａ，Ｋ）が、プリフォー
ム表面から５００オグストロームの付近で減少している
ことが解る。

【００２８】次に、第１の実施の形態と同様にして、精
密成形を行った結果を表６に示す。

【００２９】

【表６】表６において、ガラスの屈伏点以上で熱処理したもの
は、ガス残りの発生が無く、良品のレンズが得られた。
これに対して、熱処理が屈伏点より低いものではガス残
りが発生した。

【００３０】次に、表６でガス残りが発生しなかった例
について、精密成形を５０００回、連続で行い、型の耐
久性をみた結果を表７に示す。

【００３１】

【表７】表７において、熱処理時の電気炉内圧が１０³Ｐａ以下
のものでは、型の耐久性が、プレス成形で５０００ｓｈ
ｏｔをクリアするが、これに対して、１０³Ｐａより大
きな内圧のものでは、途中で、型とガラスとが融着して
しまい、型の耐久性が十分ではないことが解る。

【００３２】なお、上記実施例では、ヤトイの形状を、
図５に示すものとしたが、他の形状でも、それが自重変
形をもたらすことが可能であれば良い。また、材質もカ
ーボンに限らず、ガラスと融着しない物質であればよい
（例えば、白金コートしたヤトイなど）。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
メニスカスレンズを成形するのに、高価な、ボール状プ
リフォームやレンズ状プリフォームを使用しないで、安
価な円柱状プリフォームを用いることができるため、プ
レス成形品を得るまでのコストダウンに大きな効果があ
る。また、プリフォームの変形と同時に、プリフォーム
の型部材との反応防止のための表面処理が自然に行なえ
るので、反応性の高いガラスを用いても、所要の面精度
のプレス成形ができる。

【００３４】また、従来のように、別個の工程で表面処
理をするよりも、安価に処理できる効果がある。更に、
プリフォームの変形が自重変形であるため、高価な装置
を必要とせず、安価に多量に平板ブランクを処理できる
効果がある。

【００３５】なお、変形により得られる面の曲率半径
は、成形する型部材の成形面に対して、ガス残りが発生
しないように設定されているため、ガス残りが発生しな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る熱処理を説明
する図である。

【図２】同じく、本発明の第１の実施形態における型構
造を示す図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係わるプリフォー
ムの表面分析の結果（ＳＩＭＳ）を示すグラフである。

【図４】本発明の実施の結果、得られた成形品の形状を
示す断面図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係る熱処理を説明
する図である。

【符号の説明】

１加熱前の光学素子成形素材２加熱後の光学素子成形素材３ヤトイ４上型部材５下型部材６胴型７加圧リング８成形品９ヤトイ１０ヤトイの窪み１１加熱前の光学素子成形用ガラス素材１２加熱後の光学素子成形用ガラス素材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の型部材と第２の型部材とからなる
１対の成形型を用いて、加熱下でガラスをプレス成形す
ることによりメニスカス状の光学素子を製造する方法に
おいて、光学素子成形用ガラス素材として、平面部を鏡
面とした円柱状ガラスを、１０³Ｐａ以下の雰囲気で、
前記ガラスの屈伏点以上の温度に加熱し、自重変形によ
り、片面が凸形状、他面が凹形状になるように、熱変形
させたものを用いることを特徴とする光学素子の成形方
法。
【請求項２】前記自重変形により形成された凸形状
は、成形で得られるメニスカスレンズの凸面の曲率半径
よりも小さく、かつ、前記自重変形により形成された凹
形状は、成形で得られるメニスカスレンズの凹面の曲率
半径よりも大きく設定されていることを特徴とする光学
素子の成形方法。