JPS63103835A - 光学ガラス素子の成形方法 - 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光学ガラス素子の製造に
おいて、プレス成形後の研磨工程を必要としない高精度
な光学ガラス素子の成形方法に関するものである。

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を同時に達成しろる非球面化の
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、直接プレス成形法が有望視され
ている。

この直接プレス成形法というのは、予め所望の面品質お
よび面精度に仕上げた非球面形状の成形用型内で、溶融
した光学ガラスをプレス成形するか、あるいは予め所望
の光学ガラス素子に近い形状まで加工した光学ガラス素
材を加熱加圧成形して光学ガラス素子を′５Ｍ造する方
法である。（例えば、特公昭５４−３８１２６号公ＩＩ
）。

発明が解決しようとする問題点 上記の光学ガラス素子の製造において、プレス成形によ
って得られた光学ガラス素子の像形成性能は従来の研磨
法による光学ガラス素子のそれにくらべてより優れてい
る必要があり、特に非球面レンズの場合、非常に高い面
精度であることが要求される。例えば高精度カメラレン
ズの場合は、面精度ニュートンリング５木程度、アメ１
本以内、面粗さ０．０２μｍ以下であることが要求され
る。

直接プレス成形法の中で溶融した光学ガラスをプレス成
形する方法では、溶融したガラスを切断した跡が光学ガ
ラス表面に残ったり、溶融したガラスからの熱を均一に
うばいにくく、ガラスの内部と表面との温度差によって
ヒケを生じやすかった。また、溶融したガラスは成形用
型と融着し易く、成形用型の材料としてガラスと融着し
にくい材料を選定する必要がある。

また、特開昭４７−１１２７７号公報のプレスレンズの
成形方法では、ガラスを成形用型内に保持した状態で昇
温しでプレス成形し、ガラスが転移温度以下になるまで
プレスした状態で成形用型とともに冷却する方法が記載
されている。しかしながらこの方法では、ガラスを冷却
するときの詳細な条件が明示されていない。ガラスを冷
却する際に、成形用型を開いてガラスが加圧されていな
い状態で冷却すると、前述したようにガラスにヒケの現
象が起こる。

従って、高精度の光学ガラス素子をプレス成形によって
製造する場合、ガラスを冷却する工程が重要であり、プ
レス成形直後の冷却過程においてガラスに圧力を加えな
い状態で成形用型とともに冷却してガラスを固化したな
らば、ガラスにヒケが発生して高精度な成形用型のプレ
ス面を非常に忠実に転写させることが不可能になる。

問題点を解決するための手段 本発明は前記間芯点を解決するために、被成形ガラス素
材を予め表面処理する工程と、一定温度に保持した成形
用型で前記被成形ガラス素材を加圧成形する工程と、前
記被成形ガラス素材に加える圧力を前記加圧成形する工
程より増圧し、かつ前記被成形ガラス素材を前記成形用
型に保持した状態で前記成形用型を冷却する工程と、前
記被成形ガラス素材への圧力を除去し、かつ前記被成形
ガラス素材を前記成形用型とともに冷却して前記被成形
ガラス素材を前記成形用型から取り出す工程とからなる
光学ガラス素子の成形方法を提供するものである。

作用 前述したように従来から光学ガラス素子の成形は、熱軟
化したガラス素材を加圧変形させて所望の光学ガラス素
子形状に成形する方法で行なわれているが、より高精度
な光学ガラス素子を成形するだめに重要なことは、光学
ガラス素子の冷却工程であることを見いだした。例えば
１０５ポアズ程度に熱軟化した光学ガラスを成形用型で
変形した後、無加圧状態で光学ガラス素子を冷却すると
光学ガラス素子にヒケの現象が起こり、高い形状精度の
光学ガラス素子を得ることはできない。高精度な光学ガ
ラス素子というのは、面積度ニュートンリング５本以内
、アメ１木以内である。

これらの問題点を解決するために、前記特開昭４７−１
１２７７号公報に見られるように、成形用型内に光学ガ
ラス素材を置き、成形用型とともに昇温、プレス、冷却
し、かつ冷却時においてガラスの転移温度以下になるま
でガラスをプレスし続けるという方法が記載されている
。しかしながらこの方法は、ガラスの冷却時にプレス成
形時の圧力と等しいかまたは小さな圧力をガラスに対し
て加え続けているため、ヒケは発生しにくくなっている
ものの、ヒケの発生を完全に除去するにいたっていない
。

高精度な光学ガラス素子を作製するためには、冷却時の
加圧力を調節してガラスを適度に粘性流動させてヒケに
よる変形をコントロールする必要がある。

本発明は、熱可塑性状態のガラスをプレス成形する時に
は比較的小さな圧力を加えて光学ガラス素材を変形させ
て所望の素子形状に概略一致させ、ガラスの冷却時には
ヒケの発生を防止できる程度の圧力すなわちプレス成形
時より増圧した圧力を加えながらガラス転移点付近まで
ガラスを冷却させることにより、高精度な光学ガラス素
子を成形するものである。

また高精度な光学ガラス素子を作製するためには、使用
する被成形ガラス素材の形状および表面状態が重要であ
る。被成形ガラス素材の形状はできるだけ成形用型の形
状に適合するようにし、例えば凸面形状の光学ガラス素
子を作製する場合、被成形ガラス素材の曲面は成形用型
の成形面より曲率半径を大きくする必要がある。被成形
ガラス素材の概略の形状を出し、かつ重量を合わせるた
めに研削砂で研削処理を施した後、表面を円滑化するた
めに研磨処理、エツチング処理あるいは熱処理を行なう
。被成形ガラス素材の種類に応じて適宜これらの表面処
理を行なって表面を円滑化した被成形ガラス素材を用い
ることにより、表面状態のすぐれた高精度の光学ガラス
素子が成形される。

被成形ガラス素材を加圧成形する工程で、成形用型の温
度（Ｔｔ）および圧力が特許請求の範囲第３項記載の範
囲内であれば、被成形ガラス素材が粘性流動あるいは塑
性流動を起こして高精度に加工した成形用型のプレス面
を転写する。次に一定温度で加圧成形した被成形ガラス
素材を成形用型内に保持した状態で、特許請求の範囲第
４項記載の温度まで冷却する。この時被成形ガラス素材
には前記加圧成形時より増圧した圧力を加えることによ
り、被成形ガラス素材をごくわずかずつ変形させてガラ
スおよび成形用型の収縮を制御する。

そのあと、被成形ガラス素材への圧力を取り除き、成形
用型の温度が被成形ガラスの徐冷点以下まで冷却した後
、成形用型から被成形ガラス素材を取り出す。このよう
な工程を経ることにより、面精度ニュートンリング５木
以内、７３１本以内の高精度な光学ガラス素子が成形さ
れる。

実施例 以下、本発明の一実施例について図面を用いて説明する
。

実施例１ 使用したガラスは、重フリント系光学ガラス５Ｆ−８で
あり、ゴブ状のガラス素材を研削処理して所望の光学ガ
ラス素子に近い形状に加工した後、酸化セリウムによっ
て研磨処理し、第１図に示すようなプリフォーム１０を
作製した。所望の光学ガラス素子は、径１５Ｉ、中心肉
厚８１の両凸形状のレンズである。このレンズの曲率半
径は、一方が２００ｍｍ、他方が１００龍である。成形
用型としては、超硬合金（Ｗ　Ｃ＞に白金−イリジウム
−オスミウム合金をコーティングしたものを用いた。第
２図に示すように、成形用上型１２を上型ブロック１１
に固定した。成形用上型１２の内部に熱電対２０をそう
人して、上型ブロック１１内部に埋設したヒータ１９の
熱量を調節して成形用上型工２の温度を高精度にコント
ロールした。

成形用下型１３にプリフォーム１０を置いて成形用上型
Ｘ２と成形川下型１３とを同時に加熱して金型温度を５
２０℃にした。金型温度が５２０℃に達した時に、プラ
ンジャー１６を下向きに作動させて、プリフォーム１ｏ
をプレス成形した。プレス圧力は５０ｋｇ／ｃｆ１１．
プレス時間は１２０秒である。プレス成形後、成形用上
型１２と成形用下型１３とを冷却した。この時、プレス
圧力を１５０ｋｇ／ｃｎに増圧し、レンズの中心肉厚を
位置決めセンサＩ８でモニタしながら、金型温度が４２
０℃になるまで冷却した。金型温度が４２０℃になった
時にプレスの圧力を取り除き、ガラスを成形用型中に保
持した状態で、さらに金型温度が３５０℃になるまで冷
却した。以上のような方法によって得られたレンズの面
精度はニュートンリング２本以内、アス３分の１本以内
、面粗さ０．０１μｍであり、非常に高精度なレンズで
あると言える。

実施例２ 実施例−１と同様に、５Ｆ−８ガラスを研削処理して所
望の光学ガラス素子に近イ以した形状に加工した。これ
をフッ酸と濃硫酸の混合液に約１０秒、５回浸漬してつ
や出しを行ない、第１図に示すようなプリフォーム１０
を作製した。所望の光学ガラス素子は、径１５１１、中
心肉Ｊｙ、８１ｍの両凸形状のレンズである。このレン
ズの曲率半径は、一方が２００　重量、他方が１００龍
である。成形用型としては、シリコンに白金−ロジウム
−ルテニウム−オスミウム合金をコーティングしたもの
を用いた。第２図に示すように、成形用上型１２を上型
ブロック１１に、成形用下型１３を下型ブロック１４に
固定した。成形用上型１２および成形用下型１３の内部
に熱電対２０をそう人して、上型ブ０．７り１１および
下型ブロック１４の内部に埋設したヒータ１９，２２に
よって成形用上型１２および成形用下型１３の温度を高
精度にコントロールした。成形用下型１３にプリフォー
ム１０を置いた状態で金型温度が５１０℃になるまで加
熱した。金型温度が５１０℃になると同時に、プランジ
ャー１６を下向きに作動させてプリフォーム１０をプレ
ス成形した。プレス圧力は３５０ｋｇ　／　ｃＩｌｌ、
プレス時間は１８０秒である。プレス成形後、成形用上
型１２と成形用下型１３とを降温速度約り５℃／分で冷
却した。この時プレス圧力を１０００　ｋｇ／ｃｊに増
圧し、レンズの中心肉厚を位置決めセンサ１８でモニタ
をしながら、金型温度が４００℃になるまで冷却した。

金型温度が４００℃になった時にプレス圧力を取り除き
、ガラスを成形用型１２および１３の中に保持した状態
で、金型温度が３２０℃になるまで冷却した。

金型温度が３２０℃に達したならば、プランジャー１６
を上向きに作動させてプレスレンズを取り出した。以上
の方法によって得られたレンズの面精度はニュートンリ
ング２本以内、アス３分の１本以内、面粗さ０．０１μ
ｍであり、レンズとして非常に優れていると言える。

実施例３ 使用したガラスはｎ、＝１６０３、シロ＝６０．７、Ｔ
ｇ＝６４５℃、Ｔ、＝６８０℃の重クラウンガラスであ
る。所望の光学ガラス素子に近位した形状に研削処理し
たガラス素材を７８０℃で６０秒間熱処理してガラス表
面を円滑化し、第１図に示すようなプリフォーム１０を
作製した。

所望の光学ガラスは、径１２鶴、中心肉厚６ｎの両凸形
状のレンズである。このレンズの曲率半径は、一方が１
５０ｆｌ、他方が１００龍である。成形用型は、超硬合
金の上にα型の炭化ケイ素をコーティングしたものであ
る。第２図に示すように、成形用上型１２を上型ブロッ
ク１１に、成形用下型１３を下型ブロック１４にそれぞ
れ固定した。

成形用上型１２および成形用下型１３の内部に熱電対２
０をそう人し、上型ブロック１１および下型ブロック１
４の内部に埋設したヒータ１９゜２２によって成形用上
型１２および成形用下型１３の温度を高精度にコントロ
ールした。成形用下型１３にプリフォーム１０を置いて
、金型温度が７４０℃になるまで加熱した。金型温度が
７４０°Ｃになった時点で、プランジャー１６を下向き
に作動させてプリフォーム１０をプレス成形した。プレ
ス圧力は１００　ｋｇ／ＣＩｌ！、プレス時間は１５０
秒である。プレス成形後、成形用上型１２と成形用下型
１３とを降温速度約り０℃／分で冷却した。この時プレ
ス圧力を８５０ｋｇ／ｃａｌに増圧した状態で、レンズ
の中心肉厚を位置決めセンサ１８でモニタしながら、金
型温度が５７０℃になるまで冷却した。金型温度が５７
０℃になった時にプレス圧力を取り除き、ガラスを成形
用型１２および１３の中に保持したままで金型温度が４
００℃になるまでさらに冷却した。金型温度が４００℃
に達したならば、プランジャー１６を上向きに作動させ
てプレスレンズを取り出した。以上の方法によって得ら
れたレンズの面積度はニュートンリング２木以内、７１
２分の１本以内、面粗さ０．０１μｍであり、レンズと
して非常に優れた性能を有していた。

比較例 重フリントガラス５Ｆ−８を所望の光学ガラス素子に近
い形状に研削加工した。これをフン酸と７農硫酸の混合
７夜に約１０秒、５回浸清してつや出しを行ない、この
プリフォームを実施例−１と同様の成形用型を用いて、
金型温度５２０°Ｃ、プレス圧力５０ｋｇ／ｃＪ、プレ
ス時間１２０秒の条件でガラスをプレス成形した。プレ
ス成形後、金型温度が３５０℃になるまで無加重状態で
冷却した。

以上の方法によって作製したレンズの面積度はニュート
ンリング４本、アス１本、而粗さ０．０２μｍであり、
本発明の成形方法にくらべて劣っていた。

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明の光学ガラス素
子の成形方法は、被成形ガラス素材を予め表面処理する
工程と、一定温度に保持した成形用型で前記被成形ガラ
ス素材を加圧成形する工程と、前記被成形ガラス素材に
加える圧力を前記加圧成形する工程より増圧し、かつ前
記被成形ガラス素材を前記成形用型に保持した状態で前
記成形用型を冷却する工程と、前記被成形ガラス素材へ
の圧力を除去し、かつ前記被成形ガラス素材を前記成形
用型から取り出す工程とからなることを特徴とする光学
ガラス素子の成形方法である。

プレス成形後の冷却過程で、プレス成形時より増加した
圧力を加えながらガラスを冷却することにより、ガラス
のヒケが防止され、非常に表面精度のすぐれた光学ガラ
ス素子を成形することができる。また、研磨処理、エツ
チング処理、あるいは熱処理で表面を円滑化させたガラ
ス素材をプレス成形することにより表面粗度のすぐれた
光学ガラスを成形することができる。

したがって、本発明の光学ガラス素子の成形方法により
、非常に容易にかつ安価で高精度な光学ガラス素子を製
造することが可能となり、その工業的価値は極めて大な
るものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における成形用型の側断面図
、第２図は同一実施例で用いた成形装置の側断面図であ
る。 １０・・・・・・プリフォーム、１１・・・・・・上型
ブロック、１２・・・・・・成形用上型、１３・・・・
・・成形用下型、１４・・・・・・下型ブロック、１５
・・・・・・被成形ガラス、１６・・・・・・プランジ
ャー、１７・・・・・・ストッパー、１８・・・・・・
位置決めセンサ、１９．２２・・・・・・ヒータ、２０
゜２１・・・・・・熱電対、２３・・・・・・おおい。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）被成形ガラス素材を予め表面処理する工程と、一
   定温度に保持した成形用型で前記被成形ガラス素材を加
   圧成形する工程と、前記被成形ガラス素材に加える圧力
   を前記加圧成形する工程より増圧し、かつ前記被成形ガ
   ラス素材を前記成形用型に保持した状態で前記成形用型
   を冷却する工程と、前記被成形ガラス素材への圧力を除
   去し、かつ前記被成形ガラス素材を前記成形用型ととも
   に冷却して前記被成形ガラス素材を前記成形用型から取
   り出す工程とからなることを特徴とする光学ガラス素子
   の成形方法。
2. （２）被成形ガラス素材を予め表面処理する工程で、被
   成形ガラス素材を研削処理を行なった後研磨処理、エッ
   チング処理、あるいは熱処理を行なうことにより所望の
   光学ガラス素子に近い形状に加工することを特徴とする
   特許請求の範囲第（１）項記載の光学ガラス素子の成形
   方法。
3. （３）一定温度に保持した成形用型で被成形ガラス素材
   を加圧成形する工程で、成形用型の温度（Ｔ℃）が、 Ｔ＿ｓ−４０≦Ｔ≦Ｔ＿ｓ＋５０ Ｔ＿ｓ：被成形ガラスの軟化点 であり、かつ被成形ガラス素材に加える圧力が、約０．
   １〜５００ｋｇ／ｃｍ＾２の範囲であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載の光学ガラス素子の成
   形方法。
4. （４）被成形ガラス素材に加える圧力を加圧成形する工
   程より増圧し、かつ被成形ガラス素材を成形用型に保持
   した状態で成形用型を冷却する工程で、被成形ガラス素
   材に加える圧力が、約１〜１０００ｋｇ／ｃｍ＾２の範
   囲であり、成形用型の温度（Ｔ′℃）が、 Ｔ＿ｇ−５０≦Ｔ′≦Ｔ＿ｇ＋２０ Ｔ＿ｇ：被成形ガラスの転移点 の温度範囲まで冷却することを特徴とする特許請求の範
   囲第（１）項記載の光学ガラス素子の成形方法。
5. （５）被成形ガラス素材への圧力を除去し、かつ被成形
   ガラス素材を成形用型とともに冷却して被成形ガラス素
   材を成形用型から取り出す工程で、被成形ガラス素材を
   成形用型から取り出すときの成形用型の温度が、被成形
   ガラスの徐冷点以下であることを特徴とする特許請求の
   範囲第（１）項記載の光学ガラス素子の成形方法。