(57)【要約】【課題】異なる成形材料を積層して１つの光学素子を成形するとき、外面に溝などの不具合形状を残さずに光学素子を成形することが可能な光学素子成形方法を提供すること。【解決手段】光学素子を成形する一対の上型及び下型からなる成形型の型間で、第１の粘度を有する第１の成形材料と、第１の粘度と異なる第２の粘度を有する第２の成形材料とを押圧するステップを有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を成形する一対の上型及び下型からなる成形型の型間で、第１の粘度を有する第１の成形材料と、前記第１の粘度と異なる第２の粘度を有する第２の成形材料とを押圧する押圧ステップを有する、光学素子成形方法。
【請求項２】
前記押圧ステップの前に、
前記下型に前記第１の成形材料を載置する第１のステップと、
前記下型及び前記第１の成形材料を加熱する第２のステップと、
前記第１の成形材料よりも粘度の高い状態の前記第２の成形材料を前記第１の成形材料の上に載置する第３のステップと、
前記第２の成形材料の上に前記上型を載置する第４のステップと、
を含み、
前記押圧ステップにおいて、前記第２の成形材料が前記第１の成形材料よりも粘度の高い状態で、前記上型及び前記下型で前記第１の成形材料及び前記第２の成形材料を押圧することを特徴とする、請求項１に記載の光学素子成形方法。
【請求項３】
前記押圧ステップにおいて、前記第２の成形材料が１０９Ｐａ・ｓ以上の粘度を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学素子成形方法。
【請求項４】
前記押圧ステップにおいて、前記第２の成形材料が屈伏点未満の温度であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学素子成形方法。
【請求項５】
前記押圧ステップにおいて、前記第１の成形材料がガラス転移点以上の温度であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子成形方法。
【請求項６】
前記第１の成形材料及び前記第２の成形材料は、同一の素材であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子成形方法。
【請求項７】
前記押圧ステップの後、前記第１の成形材料及び前記第２の成形材料をガラス転移点以上の温度に加熱する第５のステップを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子成形方法。
【請求項８】
前記押圧ステップの後、前記第１の成形材料及び前記第２の成形材料を１０１１Ｐａ・ｓ以下の粘度を有する温度に加熱する第５のステップを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子成形方法。
【請求項９】
前記第５のステップの後、前記第１の成形材料及び前記第２の成形材料を冷却する第６のステップと、
前記第１の成形材料及び前記第２の成形材料から形成された光学素子を取り出す第７のステップとを、
含むことを特徴とする、請求項７又は８に記載の光学素子成形方法。
【請求項１０】
前記第１の成形材料は、球状のガラスプリフォームであり、前記第２の成形材料は、円柱状のガラスプリフォームであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の光学素子成形方法。
【請求項１１】
前記第１の成形材料と前記第２の成形材料の外面が滑らかに接続されるように前記第１の成形材料及び前記第２の成形材料を押圧することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の光学素子成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子成形方法に関し、光学ガラス素材に適用して好適な光学素子成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子、例えば、光学レンズ、プリズムなどの成形方法には、光学機能転写面を有する転写面を備える上型及び下型と、上型及び下型の水平方向の位置を規定する胴型からなる成形型を用いる方法がある。この方法では、成形材料（光学ガラス素材）、例えばプリフォームを加熱しながら、成形型を押圧して光学素子を成形する。
【０００３】
通常、下型に１つのプリフォームを載置して、更に上型をプリフォームの上に載置し、加熱、軟化させて、上型と下型との間で押圧することで、最終的に１つの光学素子を成形する。一方、例えば、特許文献１に開示された技術のように、１つの光学素子を成形するために、２つ以上のプリフォームを積層して押圧し成形する場合がある。この場合、１度で成形するのではなく２度以上に分けて成形することになる。その結果、１つのプリフォームでは大きすぎて成形型に納まらない容量を有する光学素子を成形することができる。また、プリフォームの形状と成形型の形状の違いによって、成形後の光学素子に圧縮空気が入り込むという問題を防止することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１０４５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１では、まず１つのプリフォーム（光学ガラス素材）を押圧して一端部を成形し、上型を取り外す。その後、更にもう１つのプリフォームを成形された一端部の上に載置し、加熱・軟化させ、押圧して成形する。その結果、２つのプリフォームを一体化した光学素子を成形することができる。
【０００６】
しかし、一体成形しようとする場合に、２つのプリフォームを同時に加熱しようとすると、一方のプリフォームが他方のプリフォームに入り込んでしまうという問題があった。例えば、図５（Ａ）に球状のプリフォーム８０と円柱状のプリフォーム８２とを積層して光学素子を成形することを試みた例を示す。図５（Ａ）は、従来例により光学素子を成形しようとした結果得られた失敗例９０を示す断面図である。図５（Ａ）に示すように、一方のプリフォーム８０が他方のプリフォーム８２に入り込んでしまい、外面に溝Ｍが形成される。その結果、プリフォーム８０とプリフォーム８２との外面が滑らかに接続されないため、光学素子として所望の形状が得られないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、異なる成形材料を積層して１つの光学素子を成形するとき、外面に溝などの不具合形状を残さずに光学素子を成形することが可能な、新規かつ改良された光学素子成形方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、光学素子を成形する一対の上型及び下型からなる成形型の型間で、第１の粘度を有する第１の成形材料と、前記第１の粘度と異なる第２の粘度を有する第２の成形材料とを押圧する押圧ステップを有する、光学素子成形方法が提供される。
【０００９】
上記押圧ステップの前に、下型に前記第１の成形材料を載置する第１のステップと、下型及び前記第１の成形材料を加熱する第２のステップと、第１の成形材料よりも粘度の高い状態の前記第２の成形材料を前記第１の成形材料の上に載置する第３のステップと、第２の成形材料の上に前記上型を載置する第４のステップとを含み、押圧ステップにおいて、前記第２の成形材料が前記第１の成形材料よりも粘度の高い状態で、前記上型及び前記下型で前記第１の成形材料及び前記第２の成形材料を押圧してもよい。
【００１０】
上記押圧ステップにおいて、第２の成形材料が１０９Ｐａ・ｓ以上の粘度を有してもよい。
上記押圧ステップにおいて、第２の成形材料が屈伏点未満の温度であってもよい。
上記押圧ステップにおいて、第１の成形材料がガラス転移点以上の温度であってもよい。
【００１１】
上記第１の成形材料及び第２の成形材料は、同一の素材であってもよい。
【００１２】
上記押圧ステップの後、第１の成形材料及び第２の成形材料をガラス転移点以上の温度に加熱する第５のステップを含んでもよい。
または、上記押圧ステップの後、第１の成形材料及び第２の成形材料を１０１１Ｐａ・ｓ以下の粘度を有する温度に加熱する第５のステップを含んでもよい。
【００１３】
上記第５のステップの後、第１の成形材料及び第２の成形材料を冷却する第６のステップと、第１の成形材料及び第２の成形材料から形成された光学素子を取り出す第７のステップとを含んでもよい。
【００１４】
上記第１の成形材料は、球状のガラスプリフォームであり、第２の成形材料は、円柱状のガラスプリフォームであってもよい。
上記第５のステップにおいて、前記第１の成形材料と前記第２の成形材料の外面が滑らかに接続されるように第１の成形材料及び第２の成形材料を押圧してもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、異なる成形材料を積層して１つの光学素子を成形するとき、外面に溝などの不具合形状を残さずに光学素子を成形することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
まず、本発明の一実施形態に係る光学素子成形装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る光学素子成形装置を示す断面図である。
光学素子成形装置は、例えば、下型ユニット５２と、上型ユニット５４と、ヒーター４０と、チャンバー６０などからなる。
【００１８】
下型ユニット５２は、下型１０２、上型１０４、胴型１０６（以下、総称して成形型ともいう。）を載置することができる。そして、下型ユニット５２又は上型ユニット５４が、上又は下に駆動することによって、下型ユニット５２が下型１０２と接触し、上型ユニット５４が上型１０４と接触する。更に下型ユニット５２及び上型ユニット５４は、下型１０２及び上型１０４を押圧する。下型ユニット５２又は上型ユニット５４は、下型１０２及び上型１０４を押圧する方向と反対方向に駆動することで、下型１０２及び上型１０４の押圧を解除する。
【００１９】
ヒーター４０は、加熱部の一例であり、胴型１０６の周囲に設置され、成形型及びプリフォームを加熱する。ヒーター４０は、プリフォームが屈伏点Ａｔ（Ｔｓ）以上となるように加熱することができる。本実施形態では、ヒーター４０が胴型１０６の周囲に設置される例を示したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、加熱部は、下型ユニット５２や上型ユニット５４に内蔵されてもよい。
【００２０】
チャンバー６０は、下型ユニット５２、上型ユニット５４及びヒーター４０を収容する。チャンバー６０は、例えば、内部を不活性ガスで充満させたり、真空にさせたりすることができる。また、チャンバー６０によって、成形型が載置される空間が一定の空間となるため、内部を効率良く加熱したり、冷却したりすることができる。
【００２１】
次に、図１を参照して、成形型について説明する。成形型は、一対の上型１０４及び下型１０２と、胴型１０６からなる。
【００２２】
上型１０４と下型１０２は、例えば円柱形状の胴体部を有しており、一端側には、光学機能転写面を含む転写面が形成され、他端側には、胴体部の直径よりも大きいフランジ面が形成される。上型１０４と下型１０２は、上型１０４と下型１０２の転写面が互いに対向するように配置される。上型１０４と下型１０２のフランジ面は、それぞれ上型ユニット５４、下型ユニット５２と接触して配置される。本実施形態では、下型１０２は、非球面状の転写面を有し、上型１０４は、平面状の転写面を有する。
【００２３】
胴型１０６は、例えば中空の円筒形状であり、胴型１０６の内面は、上型１０４の外面と摺動可能に接しており、胴型１０６は、上型１０４の上下方向の動作を案内することができる。胴型１０６は、上型１０４及び下型１０２の水平方向の位置を規定する。また、胴型１０６の内面は、下型１０２の外面と接触しており、胴型１０６は下型１０２と嵌合する。
【００２４】
次に、本実施形態に係る光学素子成形方法について説明する。図２は、本実施形態に係る光学素子成形方法を示すフローチャートである。図３は、成形されるプリフォームの温度の時間変化を示すグラフである。図４は、本実施形態に係る成形型とプリフォームを示す断面図であり、成形工程の流れと合わせて示している。
【００２５】
まず、図４（Ａ）に示すように、搬送装置３０によって、プリフォーム１０（球状プリフォーム、第１の成形材料）が成形型まで運搬される。このとき、成形型は、下型ユニット５２に載置されていてもよいし、プリフォーム１０が下型１０２に載置された後、成形型が下型ユニット５２に運搬され載置されてもよい。プリフォーム１０は、成形後、成形品としての光学素子２０の一端側を構成する光学ガラス素材である。プリフォーム１０は、例えば球状の形状を有する。
【００２６】
次に、図４（Ｂ）に示すように、プリフォーム１０は、搬送装置３０によって下型１０２上に載置される（ステップＳ１０１）。そして、プリフォーム１０は、ヒーター４０によって加熱される（ステップＳ１０２）。このとき、プリフォーム１０は、少なくともガラス移転点Ｔｇ以上、例えば光学ガラス素材の屈伏点Ａｔ（Ｔｓ）以上（例えば、屈伏点Ａｔ（Ｔｓ）＋１０〜４０℃など）まで加熱される。屈伏点Ａｔ（Ｔｓ）では、光学ガラス素材が加圧によって変形可能な温度であり、光学ガラス素材は、例えば１０１０〜１０１１Ｐ（ポアズ）（＝１０９〜１０１０Ｐａ・ｓ）程度の粘度となる。その結果、図４（Ｃ）に示すように、プリフォーム１０はやや変形して球形状が僅かにつぶれた形状となる場合もある。プリフォーム１０の温度変化を図３の実線に示す。図３では、プリフォーム１０の温度は屈伏点Ａｔ（Ｔｓ）以上で一定になるように示しているが、本発明は一定である場合に限定されない。
【００２７】
次に、図４（Ｄ）に示すように、搬送装置３０によって、プリフォーム１２（円柱プリフォーム、第２の成形材料）が成形型まで運搬される。プリフォーム１２は、成形後、プリフォーム１０と接合し、成形品としての光学素子２０の他端側を構成する光学ガラス素材である。プリフォーム１２は、例えば円柱状の形状を有する。
【００２８】
そして、図４（Ｅ）に示すように、プリフォーム１２は、搬送装置３０によってプリフォーム１０上に載置される（ステップＳ１０３）。このとき、プリフォーム１２は、加熱されておらず軟化していない状態のまま載置される。一方、プリフォーム１０は、加熱によって軟化した状態である。また、図４（Ｆ）に示すように、上型１０４が、プリフォーム１２上に載置される（ステップＳ１０４）。なお、プリフォーム１２は、搬送装置３０によってプリフォーム１０に載置される前から、外圧より高い気圧の不活性ガス（窒素ガス等）で充満されたチャンバー６０内に入れておくとよい。これにより、プリフォーム１２を載置する際、チャンバー６０の開閉が不要となり、高温状態の成形型などが酸化することを防止できる。
【００２９】
その後、図４（Ｇ）に示すように、上型１０４及び下型１０２によって、プリフォーム１０及び１２が押圧される（ステップＳ１０５）。このとき、プリフォーム１２は、上記のように加熱されておらず軟化していない状態で載置され、そのまま押圧される。従って、プリフォーム１２は、屈伏点Ａｔ（Ｔｓ）以上で一定温度に保たれている成形型に接触しても、屈伏点Ａｔ（Ｔｓ）以上に達することがない。なお、プリフォーム１２が軟化しないように、押圧の工程が終了するまで上型１０４の温度をガラス転移点Ｔｇ以下の温度に設定しておくことが望ましい。
【００３０】
一方、プリフォーム１０は、先の工程で一旦屈伏点Ａｔ（Ｔｓ）以上の成形温度まで加熱されている。そのため、プリフォーム１０は、プリフォーム１２と接触しても、急激には温度が下がらず、少なくとも光学ガラス素材の軟化点以上、好ましくは屈伏点Ａｔ（Ｔｓ）以上の成形温度になっている。なお、プリフォーム１０の温度を保つために下型１０２は成形温度に保たれる。その結果、この押圧工程では、プリフォーム１０が大きく変形し、プリフォーム１２は、ほとんど変形しない。なお、屈伏点Ａｔ（Ｔｓ）は、水平に置かれたガラス棒が自重で急激に曲がり始める温度であり、光学ガラス素材は、例えば１０１０〜１０１１Ｐ（ポアズ）（＝１０９〜１０１０Ｐａ・ｓ）以上の粘度となる。プリフォーム１０は変形しやすい温度を有しているため、押圧によって、下型１０２、胴型１０６とプリフォーム１２の形状に従って変形する。
【００３１】
その結果、プリフォーム１０は、プリフォーム１２に入り込むことが無く、プリフォーム１２もプリフォーム１０の入り込みによる内側への変形が生じない。従って、プリフォーム１０とプリフォーム１２の外面の接合部分は滑らかに成形型の形状が転写された形状になる。
【００３２】
次に、図４（Ｈ）に示すように、プリフォーム１０及び１２は、ヒーター４０によって加熱され、均熱処理される（ステップＳ１０６）。このとき、プリフォーム１０及び１２は、光学ガラス素材のガラス転移点Ｔｇ付近で均熱される。ガラス転移点Ｔｇ付近で均熱されたとき、光学ガラス素材は、例えば１０１２Ｐ（ポアズ）（＝１０１１Ｐａ・ｓ）程度の粘度となる。ガラス転移点Ｔｇ付近の温度とすることによって、ガラス中の残留歪を消失することができる。また、プリフォーム１０及び１２は、例えば１０７〜１０１２Ｐ（ポアズ）（＝１０６〜１０１１Ｐａ・ｓ）の粘度となるように加熱してもよい。プリフォーム１０及び１２が同一温度となるように加熱することで、両者の収縮差による分離（剥離）を防止することができる。
【００３３】
プリフォーム１２の温度変化を図３の一点鎖線に示す。プリフォーム１２は、ステップＳ１０５の押圧時、上述したとおり、光学ガラス素材の屈伏点Ａｔ（Ｔｓ）未満であり、ステップＳ１０６の均熱処理によって、プリフォーム１０と同一温度となる。図３では、プリフォーム１２の温度はガラス転移点Ｔｇ付近で一定になるように示しているが、本発明は一定である場合に限定されない。
【００３４】
次に、図３に示すように、プリフォーム１０及び１２を冷却する（ステップＳ１０７）。冷却工程では、プリフォーム１０及び１２は、徐冷後、急冷される。その後、図４（Ｉ）に示すように、成形型の上型１０４が取り外される。冷却後、プリフォーム１０及び２０は、光学素子２０として成形されている。そして、図４（Ｊ）に示すように、搬送装置３０によって、光学素子２０が成形型から取り出される（ステップＳ１０８）。
【００３５】
以上のとおり、従来の方法では、２つのプリフォームを同時に加熱していたため、一方のプリフォームが他方のプリフォームに入り込んでしまっていた。例えば、図５（Ａ）に示すように、一方のプリフォーム８０が他方のプリフォーム８２に入り込んでしまい、失敗例９０のように周囲に溝Ｍが形成された。その結果、プリフォーム８０とプリフォーム８２との外面が滑らかに接続されないため、光学素子として所望の形状が得られなかった。例えば、プリフォーム８２側の直径ａ１と、プリフォーム８０とプリフォーム８２との接続領域との直径ｂ１が異なった。そのため、従来の方法によって得られる図５（Ａ）の失敗例９０は、レンズなどとしての光学的機能を果たさなかった。
【００３６】
一方、本実施形態によれば、図５（Ｂ）に示すような、光学素子２０を成形することができる。図５（Ｂ）は、本実施形態の成形方法により成形された光学素子２０を示す断面図である。プリフォーム１０は、プリフォーム１２に入り込むことが無く、プリフォーム１２もプリフォーム１０の入り込みによる内側への変形が生じない。その結果、光学素子２０の外面が滑らかになり、プリフォーム１２側の直径ａ２と、プリフォーム１０とプリフォーム１２との接続領域との直径ｂ２が同じになる。その結果、光学素子２０は、所望の形状となり、レンズなどとしての光学的機能を果たす。
【００３７】
また、上記の一方のプリフォームが他方のプリフォームに入り込んでしまうという問題を防止するため、ガラス転移温度Ｔｇが異なるプリフォームを使用することも考えうる。これにより、いずれか一方のプリフォームが硬い状態で他方のプリフォームを接合することができ、一方のプリフォームが他方のプリフォームに入り込むことを防止できる可能性がある。しかし、ガラス転移温度Ｔｇが異なるプリフォームは、膨張係数も異なるため、成形された光学素子は、もとのプリフォーム毎に分離（剥離）しやすい構造となる。
【００３８】
一方、本実施形態は、同一素材の２つのプリフォームを接合するため、均熱処理をしておけば、分離（剥離）の問題が発生することは無い。また、同一素材の接合であるため、接合面における屈折を考慮する必要がないため、光学的な設計が容易となる。
【００３９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４０】
例えば、上記実施形態では、１組の下型ユニット５２と上型ユニット５４によって、成形型の加熱、押圧、冷却をする光学素子成形装置の例を示したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、加熱工程、押圧工程、冷却工程毎に異なる下型ユニット５２と上型ユニット５４が設けられた連続式光学素子成形装置であってもよい。連続式光学素子成形装置は、複数組の下型ユニット５２と上型ユニット５４からなる。例えば、加熱工程用の下型ユニット５２と上型ユニット５４における加熱工程が完了すると、成形型は隣接する押圧工程用の下型ユニット５２と上型ユニット５４に移動する。そして、成形型は、押圧工程用の下型ユニット５２と上型ユニット５４によって押圧される。その後、押圧工程が完了すると、成形型が隣接する冷却工程用の下型ユニット５２と上型ユニット５４に移動する。このように、成形型が順次移動していくことで、光学素子が成形される。
【００４１】
また、本実施形態の成形装置は、例えば、上型１０４が上型ユニット５４に常に固定された構成であってもよい。更に、上記実施形態では、上型ユニット５４が上又は下に駆動可能であり、下型ユニット５２が固定されているとしたが、反対に上型ユニット５４が固定されており、下型ユニット５２が上又は下に駆動可能であるとしてもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、成形される光学素子２０は、一端側が非球面の光学機能面を有し、他端側が平面状を有する例について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、光学素子のいずれか一方又は両方の端面は、凹面であるとしてもよいし、凸面であるとしてもよい。また、上記実施形態では、２つのプリフォームが積層される場合について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、３つ以上のプリフォームを接合する場合にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係る光学素子成形装置を示す断面図である。
【図２】同実施形態に係る光学素子成形方法を示すフローチャートである。
【図３】成形されるプリフォームの温度の時間変化を示すグラフである。
【図４Ａ】同実施形態に係る成形型とプリフォームを示す断面図であり、成形工程の流れと合わせて示している。
【図４Ｂ】同実施形態に係る成形型とプリフォームを示す断面図であり、成形工程の流れと合わせて示している。
【図５】従来例により成形した結果得られた失敗例を示す断面図（Ａ）及び同実施形態の成形方法により成形された光学素子を示す断面図（Ｂ）である。
【符号の説明】
【００４４】
１０，１２，８０，８２      プリフォーム
２０      光学素子
３０      搬送装置
４０      ヒーター
５２      下型ユニット
５４      上型ユニット
６０      チャンバー
９０      失敗例
１０２      下型
１０４      上型
１０６      胴型
【図１】
2010006639.tif 000003
【図２】
2010006639.tif 000004
【図３】
2010006639.tif 000005
【図４Ａ】
2010006639.tif 000006
【図４Ｂ】
2010006639.tif 000007
【図５】
2010006639.tif 000008