JPH101321A

JPH101321A - 光学素子の製造方法

Info

Publication number: JPH101321A
Application number: JP15723596A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Hirota; 慎一郎広田; Masaru Uno; 賢宇野
Original assignee: Hoya Precision Inc
Current assignee: Hoya Precision Inc
Priority date: 1996-06-18
Filing date: 1996-06-18
Publication date: 1998-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】研磨加工することなく得られる被成形ガラス
素材を用いて精密加圧成形により多面体の成形体である
ガラス光学素子を製造する方法の提供。【解決手段】ロッド状乃至ファイバー状のガラス素材
を熱間成形法により得る工程、得られたガラス素材を加
熱軟化し、押圧成形して多面体の長尺形状の成形体を得
る工程を含む光学素子の製造方法。例えば、熱間成形法
は加熱延伸法であり、加熱延伸法によりガラス丸棒を延
伸してロッド状乃至ファイバー状のガラス素材を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多面体の成形体で
あるガラス光学素子、例えば、プリズムやトーリックレ
ンズ等を精密加圧成形により製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、後工程で研磨することなく加圧成
形することのみで面精度に優れたガラス光学素子を製造
する方法が開発されている。この方法は、研磨工程が不
要であり、低コストでの製造が可能であることから、非
球面レンズ等の大量生産に実用されている。一般の非球
面レンズの形状は、回転対称である。そのため、球状や
円板状のプリフォーム（被成形ガラス素材）を加熱軟化
し、成形型で加圧成形することで軟化したガラスは放射
方向に均等に伸びるため、比較的容易に成形できる。一
方、多面体光学素子であるプリズムは、角部付近までシ
ャープな平面を有することが要求され、さらに、全体の
形状が異形である。そのため、軟化したガラス素材を加
圧により成形型のガラス素材との非接触面に向けて変形
させることは、回転対称体である非球面レンズに比べて
遙に困難である。多面体の成形品を加熱押圧による精密
成形により製造しようとすると、成形型の角部へのガラ
スのはみ出しや、それに伴うガラスの割れが生じ易い。
そのため、プリズム等の多面体成形品は、依然として研
削、研磨法により製造され、コストも高いものとなって
いる。

【０００３】ところで、特開昭６１−１２７６２６号
（以下、先行技術１という）には、成形用ガラス素材を
所定粘度まで加熱軟化するとともにこの加熱軟化した成
形用ガラス素材を押圧成形する光学素子の製造方法にお
いて、前記成形用ガラス素材として、予め外周面を円滑
加工した円柱状のガラス素材を使用することを特徴とす
る光学素子の製造方法が開示されている。外周面の円滑
加工法として、センタレス加工機等による、あるいはフ
ァイアポリッシングによる研磨加工法が開示されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかるに上記先行技術
１に記載の方法には以下のような欠点がある。（１）円柱状のガラス素材を予めセンタレス加工機で研
磨加工したり、あるいはファイアポリッシングにより研
磨加工して作るのでは、プリズム形状に研磨するのと同
程度に手間がかかり、コスト高になってしまう。その結
果、精密加圧成形を採用するメリットがなくなる。（２）最近、コンパクトディスク等のピックアップの光
学系等では１mm程度あるいはそれ以下のサイズの非常に
微小なプリズムが必要となってきている。しかし、微小
なプリズムを従来の研磨加工法により製造することは難
しくコトス高になる。そこで、精密加圧成形による製造
が望まれるが、上記先行技術１の方法で、非常に細い円
柱をセンタレス加工やファイアポリッシングで得ること
は困難である。そこで本発明の目的は、研磨加工するこ
となく得られる被成形ガラス素材を用いて精密加圧成形
により多面体の成形体であるガラス光学素子を製造する
方法を提供することにある。特に本発明は、微小な多面
体のガラス光学素子の製造に適した方法を提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、ロッド状乃至
ファイバー状のガラス素材を熱間成形法により得る工
程、得られたガラス素材を加熱軟化し、押圧成形して多
面体の長尺形状の成形体を得る工程を含む光学素子の製
造方法に関する。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の製造方法は、被成形素材
であるガラス素材がロッド状乃至ファイバー状であり、
かつこれらのガラス素材が熱間成形法により作製される
ことに特徴がある。本発明の製造方法で使用するガラス
素材は、ロッド状乃至ファイバー状であるが、いずれも
断面形状が実質的に円形である。断面形状が実質的に円
形であるガラス素材を被成形素材とすることで、さらに
素材の寸法やプレス条件を調整する必要はあるが、成形
型の角部へのガラスのはみ出しやガラスの割れを回避し
易くなる。比較的直径の大きいものをロッド状と呼び、
比較的直径の小さいものをファイバー状と呼ぶ。本明細
書では便宜上、直径１ｍｍ以下のガラス素材をファイバ
ー状と呼び、直径１ｍｍを超えるガラス素材をロッド状
と呼ぶ。いずれにしても、本発明では断面形状が実質的
に円形の長尺形状のガラス素材を被成形素材として使用
する。尚、ガラス素材の直径は、得られる成形体の大き
さを考慮して適宜決定できる。また、ガラス素材の長さ
も、得られる成形体の大きさや成形後の切断の有無を考
慮して適宜決定できる。

【０００７】上記ガラス素材の作製法である熱間成形法
は、大きく分けて３つの方法に分類できる。即ち、るつ
ぼ法、加熱延伸法及び押し出し法であり、いずれの方法
も公知の方法である〔例えば、光通信要覧ｐ８９〜１３
０（科学新聞社），１９８４〕。るつぼ法は、加熱溶融
したガラスをるつぼの底に設けたノズルから流出させる
ことによりロッド状乃至ファイバー状のガラス素材を作
製する方法である。加熱延伸法は、加熱軟化した丸棒状
のプリフォームを延伸してロッド状乃至ファイバー状の
ガラス素材を作製する方法である。押し出し法は、加熱
軟化したプリフォームをノズルを介して押し出してロッ
ド状乃至ファイバー状のガラス素材を作製する方法であ
る。

【０００８】これらの中で、加熱延伸法は、プリフォー
ムの形状（丸棒）を維持し、かつ平滑な表面を有するガ
ラス素材を作製すことができ、かつプリフォームをつぎ
足しながら作製できるという利点がある。プリフォーム
の形状（丸棒）を維持したガラス素材を作製できるた
め、プリフォームの形状を予め整えておくことで、平滑
表面を有し、かつ形状（真円度）が高いガラス素材が得
られ、その結果、後工程における成形性が良くなること
から好ましい。また、加熱延伸法では、ファイバー状の
ガラス素材の作製も、比較的直径の小さいロッド状のガ
ラス素材の作製も可能である。一方、押し出し法は、ロ
ッド状のガラス素材の作製に向いており、比較的直径の
大きいガラス素材の作製も可能である。但し、ガラス素
材の表面の平滑度を高め、面精度の高い成形品を作製す
るためには、精度の高いノズルを用いてガラス素材を作
製することが好ましい。尚、表面の平滑度を高めるため
に、押し出しの後、酸処理を行うこともできる。

【０００９】ロッド状乃至ファイバー状のガラス素材は
加熱軟化させ、押圧成形して多面体の長尺形状の成形体
とする。加熱軟化の条件は、ガラス素材の物性（軟化温
度、ガラス転移温度）と成形条件（成形圧力、押圧時
間、押圧速度）等を考慮して適宜決定できる。また、押
圧成形の条件（成形圧力、押圧時間、押圧速度）や成形
型の形状、素材、機構等も加熱軟化したガラスの粘度や
成形体の形状等を考慮して適宜決定できる。

【００１０】本発明の製造方法では、最終製品である光
学素子の例としてプリズムを挙げることができ、成形の
結果得られる「多面体の長尺形状の成形体」を切断し
て、複数のプリズムを得ることができる。また、最終製
品である光学素子の例としてトーリックレンズを挙げる
ことができ、ガラス素材の大きさを調整して、「多面体
の長尺形状の成形体」がそのままトーリックレンズとな
り得る。

【００１１】本発明の製造方法では、加熱軟化及び押圧
成形を複数のガラス素材について同時に並行して行うこ
とができる。このようにすることで、１回の加熱・成形
工程で、複数の成形体を作製することができ効率的であ
る。また、本発明の製造方法では、ガラス素材の成形型
内での転がりを防止しながら、ガラス素材を成形型の所
定の位置に保持して加熱軟化及び押圧成形を行うことが
好ましい。ガラス素材は断面形状が円形であり転がり易
いことから、成形型の所定の位置に保持することで、偏
肉やはみ出しが生じることを防止することができる。ガ
ラス素材の成形型内での転がりを防止しながら、複数の
成形体を作製する方法については、後述の実施例でさら
に説明する。本発明によれば、多面体の成形体であるガ
ラス光学素子、例えば、プリズムやトーリックレンズ等
を精密加圧成形により製造することができ、より廉価な
多面体のガラス光学素子を提供することができる。さら
に、本発明の方法では、より小さいサイズのガラス光学
素子を容易に製造できるという利点もある。

【００１２】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに説明す
る。実施例１プリズムを製造する実施例について詳述する。被成形ガラス素材の作り方重フリント系光学ガラス（転移点Tg 435℃、屈伏点Ts 4
70℃) からなる、直径40mm、長さ200mm 、側面を研削面
にした丸棒を用意した。これを図１に示す加熱延伸法に
よるファイバー線引き用の電気炉１にセットした。ヒー
ター２により炉内を約 600℃に加熱して、ガラス丸棒３
の先端４を軟化させ、10⁶〜10⁷ポアズの粘度で、丸棒
の送り速度1.7mm/min 、線引き速度1.3m/minの条件で線
引きし、直径0.5mm のファイバー５を得た。ファイバー
側面は軟化、線引きされたことにより欠陥のない滑面に
仕上がった。このファイバーを長さ20mmに切断し、被成
形ガラス素材を得た。

【００１３】成形型ここでは長さ20mmのファイバーを10本並べて、一度にプ
レス成形するための成形型について説明する。図２(a)
に成形型の断面図を、(b) に平面図を示す。また図３に
は部分拡大図を示す。図３(a) のように下型６に対して
はプリズムの各角部で分割するような短冊状の型部材7
1、72、73を加工して用意した。型材料は金属バインダ
ーを含まない超硬合金である。10本取りのため各部品が
それぞれ10個あり、同一部品は揃えてプリズム面となる
各面81、82、83を平面研磨した。そして研磨面の表面に
はスパッタ法で貴金属合金薄膜を設けた。その後、下型
は図２(a) のように束ねて固定枠９で固定した。上型10
は10本分に対して一つの平面型とした。作り方は下型と
同様である。上下型とも平面断面は図２(b) のように４
角形である。下型外周には図３(b) に示すようにファイ
バー状の被成形素材11が位置ずれしないように、その両
端で位置決めするためのＶ字型切り込み12を入れた短形
リング13をはめ込んだ。上下型は上下型保持部材14、15
でそれぞれ保持し、上下型の軸合わせは２本のガイドピ
ン16にて行った。

【００１４】プレス成形図４は成形機の模式図である。シリカチューブ17で内包
した成形室の外周に高周波コイル18を配置し、成形型を
加熱する。まず、図２に示す下型を成形室の下方に下降
し、下型の外周にはめ込んだ短形リング13のＶ字型切り
込み部12に、ファイバー状プリフォーム11の両端を乗せ
ることにより、10本のプリフォームを下型に配置した。
下型を上昇させて密閉された成形室19とし、窒素ガス雰
囲気にした。ついで高周波加熱により成形型を 510℃に
昇温し、軟化したプリフォームを150kg の圧力で１分間
加圧した。その後ガラスの転移点以下まで徐冷し、更に
急冷して取り出した。ファイバープリフォームは断面が
円形で、位置決めされているので転がることはなく、図
５に示すように必要な角部はほとんどシャープで、かつ
はみ出しのない良好なプリズム形状の成形品20が得られ
た。得られた成形品をダイシングソーで10個に切断し、
個々のプリズム21を得た。得られたプリズムの表面品質
は良好で、面積度はλ／８以内であった。本成形では１
度の成形で 100個のプリズムが得られた。なお、本実施
例では下型を短冊状の割型にし、上型を平面型にした
が、逆にしてもよい。

【００１５】実施例２プリズムの製造方法に関し、型構造と成形方法の別の実
施例を説明する。被成形素材の作り方は実施例１と同様
である。ここでは被成形素材の転がりによる位置ずれを
防止するための短形リングとして、Ｖ字型切り込みでは
なく、図６(b)に示すように短形リング22の側面に段付
きの貫通穴23を設けた。短形リングの内側の径24が大き
く外側の径25が小さい貫通穴とすることにより段部を有
している。ファイバープリフォーム11をこの穴を通して
段部にセットした。本実施例では、ファイバープリフォ
ームを短径リングにセットして、成形室の下方左側に設
けた不図示の予熱炉にて 400℃に予熱する。下型が成形
室下方に下降し約 400℃のときに不図示の搬送具でファ
イバープリフォームの乗った短形リングを下型上に移送
し下型に挿入する。下型を上昇させ、 510℃に昇温して
加圧成形し、ガラスの転移点以下まで徐冷し、下型を下
方に下降し、不図示の搬送具で短形リングと共に成形品
を下型から取り出し、成形室の下方右側に設けた不図示
の冷却室に移す。しかる後に装置から取り出した。本成
形では複数の短形リングを用いることにより、成形型を
400℃以下に下げることなく順次成形を行うことがで
き、効率がよい。ファイバープリフォームは段付き穴に
セットされているので移送の際に落ちるようなことはな
い。また、位置決めされているので、成形の際に横に動
いて偏肉するようなことがなく、良好な成形品が得られ
る。

【００１６】実施例３次にトーリックレンズの製造例について説明する。被成形ガラス素材の作り方重フリント系光学ガラス（転移点Tg 435℃、屈伏点Ts 4
70℃) からなる、直径40mm、長さ200mm 、側面を研磨し
た丸棒を用意した。これを実施例１と同様の図１に示す
加熱延伸法によるロッド成形用の電気炉にセットした。
ヒーターにより炉内を加熱して、ガラス丸棒の先端を軟
化させ、10⁷〜10⁸ポアズの粘度で、丸棒の送り速度2m
m/min 、延伸速度80mm/minの条件で、直径5mm のロッド
を得た。得られたロッドの側面は欠陥のない滑面であ
る。このロッドを長さ55mmに切断し、被成形ガラス素材
を得た。

【００１７】成形型およびプレス成形図７に示す長さ60mm、幅5.5mm で第１面がRx=80mm 、Ry
=20mm 、第２面がR=200mm からなるトーリックレンズ26
を得るために、ＣＶＤ法で作った炭化ケイ素で成形型を
作成し、表面にスパッタ法で硬質炭素薄膜を設けた。被
成形ガラス素材である熱間成形した前記のロッドを横に
して下型上に配置し、実施例１と同様の方法でプレス成
形を行った。加圧条件は 510℃、250kg 、２分間であ
り、冷却方法は実施例１と同様である。取り出したトー
リックレンズは表面品質が良好で、角部がほどよい丸み
のある形状となり、はみ出しはなくガストラップもなか
った。精密アニール後の形状精度は良好であった。本実
施例ではレンズの幅とロッドの径が近似していたため、
ロッドの横ずれに対する位置決めは特にしなかったが、
レンズの幅が広い場合は、端部に位置決め手段を設ける
ことが好ましい。また、本レンズのように長さと幅が大
きく異なるレンズでは、実施例１と同様、型を多数個取
りにすると生産性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】加熱延伸法によるファイバー線引きの説明
図。

【図２】プレス成形用成形型の断面図(a) と平面図
(b) である。

【図３】プレス成形用成形型の下型の拡大断面図(a)
とＶ字型切り込みを有する下型外周の拡大断面図(b) で
ある。

【図４】プレス成形機の模式図。

【図５】成形により得られたプリズム。

【図６】プレス成形用成形型の下型の拡大断面図(a)
と貫通孔を有する下型外周の拡大断面図(b) である。

【図７】成形により得られたトーリックレンズ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロッド状乃至ファイバー状のガラス素材
を熱間成形法により得る工程、得られたガラス素材を加
熱軟化し、押圧成形して多面体の長尺形状の成形体を得
る工程を含む光学素子の製造方法。
【請求項２】熱間成形法が加熱延伸法であり、加熱延
伸法によりガラス丸棒を延伸してロッド状乃至ファイバ
ー状のガラス素材を得る請求項１記載の製造方法。
【請求項３】光学素子がプリズムであり、多面体の長
尺形状の成形体を切断して複数のプリズムを得る請求項
１または２記載の製造方法。
【請求項４】多面体の長尺形状の成形体がトーリック
レンズである請求項１または２記載の製造方法。
【請求項５】加熱軟化及び押圧成形を複数のガラス素
材について同時に並行して行う請求項１〜４のいずれか
１項に記載の製造方法。
【請求項６】ガラス素材の成形型内での転がりを防止
しながら加熱軟化及び押圧成形を行う請求項１〜５のい
ずれか１項に記載の製造方法。