(57)【要約】【課題】非回転対称体の光学素子の光学機能面と外形形状とを同時にかつ高精度で成形する。【解決手段】成形素材３０は単一の球形状を有し、上型２２と下型２４には夫々成形面２２ａ、２４ａが形成され、補助型２７には変形規制部２９が設けられており、この変形規制部２９の断面は直線の辺、円弧の辺、又はこれらを組み合わせて接続された形状を有している。また、変形規制部２９の断面の重心ＯＷから各辺までの垂線の長さは、垂線の最小長さＬｍｉｎと最大長さＬｍａｘとの比をＲＬ＝Ｌｍａｘ／Ｌｍｉｎとしたとき、１  ≦  ＲＬ  ≦  １．３  を満足している。そして、成形素材３０を上型２２と下型２４の成形面２２ａ、２４ａ、及び変形規制部２９で囲まれた空間に配置する工程と、加熱軟化させた成形素材３０を、上型２２と下型２４で押圧しながら、上型２２と下型２４の成形面２２ａ、２４ａ、及び変形規制部２９で囲まれた空間に充填した状態に成形する工程とを有する。【選択図】  図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱軟化させた成形素材を上型、下型、及び補助型で成形して非回転対称体の光学素子を得る光学素子の製造方法において、
前記成形素材は単一の球形状を有しており、
前記上型と前記下型には夫々成形面が形成されており、
前記補助型には変形規制部が設けられており、当該変形規制部の断面は直線の辺、円弧の辺、又はこれらを組み合わせて接続された形状を有しており、
前記変形規制部の断面の重心から各辺までの垂線の長さは、垂線の最小長さＬｍｉｎと垂線の最大長さＬｍａｘとの比をＲＬ＝Ｌｍａｘ／Ｌｍｉｎとしたとき、
１  ≦  ＲＬ  ≦  １．３
を満足しており、
前記成形素材を前記上型の成形面、前記下型の成形面、及び前記変形規制部で囲まれた空間に配置する工程と、
加熱軟化させた前記成形素材を、前記上型と前記下型で押圧しながら、前記上型の成形面、前記下型の成形面、及び前記変形規制部で囲まれた空間に充填した状態に成形する工程と、を有する
ことを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記変形規制部の厚みをｄとしたとき、前記断面の重心から各辺までの垂線の最小長さＬｍｉｎとの関係が
ｄ  ≦  １．３４×Ｌｍｉｎ
を満足する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記成形素材は、その体積Ｖｍと成形完了時に前記上型と前記下型の各成形面、及び前記変形規制部で形成される空間内の体積Ｖｃとの比をＲＶ＝Ｖｍ／Ｖｃとしたとき、
０．６  ≦  ＲＶ  ≦  １
を満足する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記変形規制部の断面が正多角形である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
【請求項５】
加熱軟化させた成形素材を成形して非回転対称体の光学素子を得るために用いられる光学素子製造用の金型組立体において、
前記金型組立体は上型、下型、及び補助型で構成され、
前記上型と前記下型には夫々成形面が形成されており、
前記補助型には変形規制部が設けられており、当該変形規制部の断面は直線の辺、円弧の辺、又はこれらを組み合わせて接続された形状を有しており、
前記変形規制部の断面の重心から各辺までの垂線の長さは、垂線の最小長さＬｍｉｎと垂線の最大長さＬｍａｘとの比をＲＬ＝Ｌｍａｘ／Ｌｍｉｎとしたとき、
１  ≦  ＲＬ  ≦  １．３
を満足している
ことを特徴とする光学素子製造用の金型組立体。
【請求項６】
前記変形規制部の厚みをｄとしたとき、前記断面の重心から各辺までの垂線の最小長さＬｍｉｎとの関係が
ｄ  ≦  １．３４×Ｌｍｉｎ
を満足する
ことを特徴とする請求項５に記載の光学素子製造用の金型組立体。
【請求項７】
前記変形規制部の断面が正多角形である
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の光学素子製造用の金型組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱軟化させた成形素材を成形型で成形して非回転対称体の光学素子を得る光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮影用カメラ光学系、観察用光学系などでは、複数のレンズやプリズム等の光学素子が使用されている。これらの光学素子に対し、例えば光学面形状を非球面形状にして性能改善を図る等、高性能化、高機能化が求められている。また、非球面形状を有する光学素子の大量生産の場面では、加熱軟化した成形素材を成形型で押圧して成形する製造方法が採用されている。
【０００３】
さらに、小型化、薄型化、実装密度の向上を図る観点から、光学素子の外形形状は、光軸に垂直な断面形状（外形）が、円形の一部を切り取ったＤ形状のもの、あるいは、矩形形状のもの等の非回転対称体のものを用いる場合がある。このような場合、一般的には、予め成形して得られた光学素子を所望の外形形状に切断、あるいは削り出し加工することで製造している。
【０００４】
また、成形工程のみで光学素子を製造する方法としては、例えば特許文献１に記載された技術が公知である。
この特許文献１では、光学素子の外周部につば部を設け、このつば部に位置決め用の面を形成している。そして、この面を形成するために、上型、下型に突起部を設け、成形型の内部に配置したガラスの成形素材を加熱軟化させて成形を行うことで、光学素子につば部を形成すると同時に、位置決め用の面を形成している。
【特許文献１】特開平１−１８３６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、成形で得た光学素子を切断あるいは削り出して非回転対称体の光学素子を得る一般的な製造方法では、外形を形成するのに工程が増えてしまう。
また、特許文献１において、成形工程で加熱軟化させたガラスは、粘性が高い状態にあるため変形の自由度があまり高くない。このため、位置決め用の面を含めて光学素子の外形形状を自由に設定することが困難である。
【０００６】
さらに、成形可能な形状であっても、使用する成形素材によっては体積ばらつきが大きくなり、外形形状の一部が形成されなかったり、成形ばりが発生したりして成形不良の原因になりやすい。
【０００７】
本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、非回転対称体の光学素子の光学機能面と外形形状とを同時かつ高精度で成形することのできる光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
加熱軟化させた成形素材を上型、下型、及び補助型で成形して非回転対称体の光学素子を得る光学素子の製造方法において、
前記成形素材は単一の球形状を有しており、
前記上型と前記下型には夫々成形面が形成されており、
前記補助型には変形規制部が設けられており、当該変形規制部の断面は直線の辺、円弧の辺、又はこれらを組み合わせて接続された形状を有しており、
前記変形規制部の断面の重心から各辺までの垂線の長さは、垂線の最小長さＬｍｉｎと垂線の最大長さＬｍａｘとの比をＲＬ＝Ｌｍａｘ／Ｌｍｉｎとしたとき、
１  ≦  ＲＬ  ≦  １．３
を満足しており、
前記成形素材を前記上型の成形面、前記下型の成形面、及び前記変形規制部で囲まれた空間に配置する工程と、
加熱軟化させた前記成形素材を、前記上型と前記下型で押圧しながら、前記上型の成形面、前記下型の成形面、及び前記変形規制部で囲まれた空間に充填した状態に成形する工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光学素子の製造方法において、
前記変形規制部の厚みをｄとしたとき、前記断面の重心から各辺までの垂線の最小長さＬｍｉｎとの関係が
ｄ  ≦  １．３４×Ｌｍｉｎ
を満足することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光学素子の製造方法において、
前記成形素材は、その体積Ｖｍと成形完了時に前記上型と前記下型の各成形面、及び前記変形規制部で形成される空間内の体積Ｖｃとの比をＲＶ＝Ｖｍ／Ｖｃとしたとき、
０．６  ≦  ＲＶ  ≦  １
を満足することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子の製造方法において、
前記変形規制部の断面が正多角形であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に関わる発明は、
加熱軟化させた成形素材を成形して非回転対称体の光学素子を得るために用いられる光学素子製造用の金型組立体において、
前記金型組立体は上型、下型、及び補助型で構成され、
前記上型と前記下型には夫々成形面が形成されており、
前記補助型には変形規制部が設けられており、当該変形規制部の断面は直線の辺、円弧の辺、又はこれらを組み合わせて接続された形状を有しており、
前記変形規制部の断面の重心から各辺までの垂線の長さは、垂線の最小長さＬｍｉｎと垂線の最大長さＬｍａｘとの比をＲＬ＝Ｌｍａｘ／Ｌｍｉｎとしたとき、
１  ≦  ＲＬ  ≦  １．３
を満足していることを特徴とする。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項５に記載の光学素子製造用の金型組立体において、
前記変形規制部の厚みをｄとしたとき、前記断面の重心から各辺までの垂線の最小長さＬｍｉｎとの関係が
ｄ  ≦  １．３４×Ｌｍｉｎ
を満足することを特徴とする。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項５又は６に記載の光学素子製造用の金型組立体において、
前記変形規制部の断面が正多角形であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、非回転対称体の光学素子の光学機能面と外形形状とを同時にかつ高精度で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、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、加熱成形状態にある光学素子の製造装置の部分概念を示す図である。
【００１７】
この光学素子の製造装置１０は、大気圧下又は不活性ガス（Ａｒガス等）、窒素ガス（Ｎ２等）の置換下で稼動でき、真空装置を必要としない一般的なものである。この製造装置１０は、対向配置された上側プレート１２及び下側プレート１４と、上側プレート１２を下側プレート１４に向けて（矢印Ａ方向に）押圧する加圧装置２１と、を有している。そして、上側プレート１２と下側プレート１４との間に、成形素材３０（図２参照）が収容された金型組立体２０が搬入されて挟持される。
【００１８】
下側プレート１４は基台１５に固定されており、上側プレート１２は加圧装置２１に連結されている。上側プレート１２には、上側カートリッジヒータ１６が内蔵されている。また、下側プレート１４には、下側カートリッジヒータ１８が内蔵されている。金型組立体２０は、下側プレート１４及び上側プレート１２を介してカートリッジヒータ１６，１８で加熱される。なお、カートリッジヒータ１６，１８の代わりに、赤外線ランプ等を金型組立体２０の側面周辺に配置しても構わない。
【００１９】
例えば、成形工程では、金型組立体２０は、上側プレート１２と下側プレート１４との間に挟持された状態で加圧装置２１により加圧成形される。こうして、金型組立体２０は、加熱、成形、冷却の各工程が実行されて成形素材３０が成形され光学素子３２（図２Ｃ参照）が得られる。
【００２０】
次に、金型組立体２０の構成と光学素子３２について説明する。
図２Ａは、金型組立体２０の常温下での組み立て状態を示す図、図２Ｂは、金型組立体２０の加熱下での成形後の状態を示す図、図２Ｃは、得られた光学素子３２の断面図である。また、図３Ａは、図２ＡのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図、図３Ｂは、図２ＢのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図、図３Ｃは、光学素子３２の平面図である。さらに、図４Ａは、補助型２７の平面図、図４Ｂはその側面断面図である。
【００２１】
図２Ａ及び図３Ａに示すように、金型組立体２０は、上型２２、下型２４、及び胴型としてのスリーブ２６に加え、補助型２７を備えている。スリーブ２６は上下方向（押圧方向）に長い円筒形状を有している。このスリーブ２６に、上型２２と下型２４が夫々両端開口側から挿入される。
【００２２】
上型２２と下型２４が嵌合された状態では、上型２２、下型２４、及びスリーブ２６の各中心軸Ｏが一致するように設定されている。
上型２２と下型２４には、対向する面に夫々成形面２２ａ，２４ａが形成されている。この成形面２２ａ，２４ａの外周部は夫々平坦面２２ｂ，２４ｂ（非光学機能面）に形成されている。この成形面２２ａ，２４ａが夫々光学素子３２の光学機能面３２ａ，３２ｂ（図２Ｃ及び図３Ｃ参照）に対応し、また、平坦面２２ｂ，２４ｂが夫々光学素子３２の非光学機能面３２ａ’，３２ｂ’（図２Ｃ及び図３Ｃ参照）に対応する。これら成形面２２ａと平坦面２２ｂ、及び成形面２４ａと平坦面２４ｂは、夫々一体的に形成されている。
【００２３】
各成形面２２ａ，２４ａは球面あるいは非球面に形成され、これらの成形面２２ａ，２
４ａの中心軸上に球面あるいは非球面の中心としての面頂が位置するように形成されている。
【００２４】
本実施形態では、各成形面２２ａ，２４ａは光学素子の両凸形状の光学機能面３２ａ，３２ｂ（図２Ｃ及び図３Ｃ参照）に対応した凹形状に形成されている。
また、補助型２７には、光学素子３２の外形を規制するために、小判形状の断面開口部を有する変形規制部２９が設けられている。
【００２５】
そして、上型２２の成形面２２ａ、下型２４の成形面２４ａ、及び補助型２７の変形規制部２９で囲まれた空間に成形素材３０が配置される。
次いで、図２Ｂ及び図３Ｂに示すように、成形素材３０を加熱軟化させて加圧装置２１により金型組立体２０を加圧することで、所望形状の中間成形品３１が成形される。
【００２６】
この中間成形品３１には、上型２２と下型２４の各成形面（２２ａ，２４ａ）等が転写されるとともに、補助型２７の変形規制部２９によって規制されることで所望の外形が形成される。
【００２７】
この後、金型組立体２０を所定温度にまで冷却して分解することで、図２Ｃ及び図３Ｃに示すように、光学機能面３２ａ，３２ｂ、非光学機能面３２ａ’，３２ｂ’、及び外形側面３２ｃを有する所望の光学素子３２が最終的に得られる。この光学素子３２は平面視小判形状をなしている（図３Ｃ参照）。
【００２８】
次に、補助型２７について説明する。
図４Ａ及び図４Ｂに示すように、補助型２７は、スリーブ２６の内周面に嵌合された状態で、下型２４の成形面２４ａの周囲の平坦面２４ｂに載置されている。
【００２９】
この補助型２７には、開口部２８が形成されて内周面を変形規制部２９としている。この変形規制部２９の断面は、直線の辺、円弧の辺、又はこれらを組み合わせて接続した形状を有している。
【００３０】
本実施形態では、この断面は、円形の径方向の両側を切り欠いた小判形状をなしている。すなわち、この断面は２つの直線の辺と２つの円弧の辺を接続した形状を有している。この変形規制部２９により、光学素子３２の外形側面３２ｃ（図２Ｃ及び図３Ｃ参照）が成形される。
【００３１】
次に、変形規制部２９の断面の形状に関して設定条件を説明する。
図４Ａにおいて、変形規制部２９の断面の重心Ｏｗから各辺に下ろした垂線の長さをＯＰｉとする。
【００３２】
各長さＯＰｉのうち、最小長さをＬｍｉｎ（＝ＯＰ１）、最大長さをＬｍａｘ（＝ＯＰ２）とし、その比をＲＬ＝Ｌｍａｘ／Ｌｍｉｎとするとき、変形規制部２９の断面が次の関係式を満足するように設定する。その理由については後述する。
【００３３】
１  ≦  ＲＬ  ≦  １．３    ………式（１）
本実施形態では、変形規制部２９の断面の重心Ｏｗを補助型２７の外形の中心軸Ｏ上に配置している。
【００３４】
変形規制部２９が小判形状の断面では、最小長さＬｍｉｎは小判形状の切り欠き部分の半値幅である。
最大長さＬｍａｘは小判形状の円形部分の半径となる。
【００３５】
補助型２７（変形規制部２９）の断面の厚みｄは、断面の最小長さＬｍｉｎを使って、次の関係式を満足するように設定する。
ｄ  ≦  １．３４×Ｌｍｉｎ    ………式（２）
なお、上型２２、下型２４、スリーブ２６、及び補助型２７の材料は、超硬合金、炭化珪素、ステンレス鋼などが用いられる。さらに、成形面２２ａ、２４ａの形状は、切削加工、研削加工、研磨加工等の中から適当な処理を選択して製作することができる。
【００３６】
上型２２及び下型２４間に配置される単一の成形素材３０は、熱可塑性材料としての光学ガラスからなる。本実施形態では、光学ガラスとして（Ｌ−ＢＳＬ７（株）オハラ製）
（ガラス転移点４９８℃、屈伏点５４９℃）を用いている。また、この成形素材３０の形状は、ボール形状（球形状）である。
【００３７】
このボール形状の成形素材３０は、溶融ガラスから滴下法で得た素材を研磨加工したり、あるいは、切り出した素材を加熱変形処理した後に研磨加工することで製作される。
このボール形状の成形素材３０は、寸法精度がよいため体積管理する上で非常に都合がよい。さらに、製造費用が比較的安価である。
【００３８】
加えて、ボール形状の全表面が鏡面に仕上がっているため、得られる成形品の外観を良好な状態に仕上げやすくなる。
なお、成形素材３０の体積Ｖｍは製造される光学素子３２の体積と一致させる。
【００３９】
さらに、上型２２の成形面２２ａ、下型２４の成形面２４ａ、及び変形規制部２８で囲まれた空間の体積Ｖｃと成形素材３０の体積Ｖｍとの比ＲＶ＝Ｖｍ／Ｖｃは次の条件を満足するように設定する。
【００４０】
ＲＶ  ≦  １    ………式（３）
次に、本実施の形態におけるガラス成形による光学素子の製造方法の作用を説明する。
本実施の形態の光学素子の製造工程は、金型組立体２０の組み立て工程、加熱工程、成形工程、冷却工程からなる。
【００４１】
まず、金型組立体２０の組み立て工程について説明する。
前述した図２Ａ及び図３Ａにおいて、下型２４の成形面２４ａの周囲の平坦面２４ｂに補助型２７を載せ、下型２４の中心軸と補助型２７の中心軸とが一致するように位置を合わせる。
【００４２】
次に、ボール形状の成形素材３０を、補助型２７の開口部２８の中に入れて、下型２４の成形面２４ａの上に載せる。
このとき、ボール形状の成形素材３０の中心が下型２４の中心軸上に配置するように位置決めする。
【００４３】
この状態で、下型２４に対し、スリーブ２６と補助型２７を嵌合させ、さらに、上型２２をその成形面２２ａが、下型２４上の成形素材３０に対向するように嵌合させる。
上型２２、下型２４、補助型２７は、スリーブ２６に挿入されると、上型２２、下型２４、補助型２７の中心軸がスリーブ２６の中心軸に一致した状態となる。
【００４４】
ボール形状の成形素材３０の中心は、上型２２の中心軸に一致することになる。
このように、スリーブ２６に対向して挿入される上型２２と下型２４とで成形素材３０
を挟み込むことで金型組立体２０を得る。
【００４５】
次に、金型組立体２０の加熱工程について説明する。
図１において、光学素子の製造装置１０の下側プレート１４と上側プレート１２との間に、成形素材３０を組み付けた金型組立体２０を搬入する。
【００４６】
この下側プレート１４と上側プレート１２を介して、金型組立体２０及び内部の成形素材３０が、当該成形素材３０に応じた成形温度に達するように所定時間だけ加熱される。
この成形温度は成形素材３０のガラス材料の屈伏点よりも高く、軟化点よりも低い温度に設定する。
【００４７】
これにより、成形温度下では成形素材３０は軟化状態になる。
次いで、成形工程について説明する。
金型組立体２０は、上述した成形温度に保持された状態で下側プレート１４と上側プレート１２間に挟持されて加圧される。
【００４８】
金型組立体２０において、下型２４と上型２２で挟圧される成形素材３０は軟化して変形しながら、下型２４の成形面２４ａ、上型２２の成形面２２ａ、及び変形規制部２９で囲まれた空間に充満されていく。
【００４９】
成形素材３０の変形が進行すると、成形面２２ａ，２４ａの形状が成形素材３０に転写されることにより、光学素子３２の光学機能面３２ａ，３２ｂと非光学機能面３２ａ’，３２ｂ’が成形される（図２Ｃ及び図３Ｃ参照）。
【００５０】
さらに、変形した成形素材３０が変形規制部２９の各辺に到達することにより、光学素子３２の外周の外形側面３２ｃの形状が成形される（図２Ｃ及び図３Ｃ参照）。
成形素材３０が所望形状に成形された段階で、上側プレート１２の加圧を止めれば成形が完了する。
【００５１】
なお、成形素材３０を加圧して所望形状を得るためには、上述のように上側プレート１２と下側プレート１４の間で金型組立体２０を加圧する際に、上側プレート１２の移動量を制御してもよいし、加圧力と加圧時間を設定して制御するようにしてもよい。
【００５２】
次に、成形素材３０を所望形状に成形した後の冷却工程について説明する。
冷却工程では、加熱された成形素材３０を軟化状態から固化状態に移行させ、成形された光学素子３２の形状を安定化させるものである。
【００５３】
この工程では、図示していない冷却装置により、金型組立体２０を冷却する。
なお、冷却時には、成形された光学素子３２の転写精度の確保と内部歪の低減のため、加圧状態が必要になる場合もある。
【００５４】
また、この冷却時の加圧力は光学素子等の成形品に割れが発生しない程度の範囲で設定する。
金型組立体２０及び成形された光学素子３２が常温付近まで冷却された時点で冷却が完了する。この冷却が完了した後、金型組立体２０から上型２２を外して成形品を取り出せば、外形が小判形状の光学素子３２を得ることができる。
【００５５】
ここで、図２Ａ（図３Ａ）〜図２Ｃ（図３Ｃ）を参照しながら補助型２７の変形規制部２９の役割について説明する。
変形の初期段階では、軟化したボール形状の成形素材３０が下型２４の成形面２４ａの
中心（光学機能面の面頂位置）から変形規制部２９の各辺に向かって押し広げられる。成形素材３０は均一に軟化した状態になっているため、押圧方向（型の中心軸方向）と直交する方向へ、外方に向かって円形状に広がる。
【００５６】
広がった成形素材３０が変形規制部２９の各辺に到達すると、その部分での外方への変形は停止する。成形素材３０の変形の進行状況によっては、若干ではあるものの、開口部２８で径方向から厚み方向と周方向への広がりに変わる。
【００５７】
成形が完了すると、変形規制部２９の各辺で囲まれた中間成形品３１の外形側面（３２ｃ）が形成されていく。成形温度下では、ガラスの粘性が比較的高い状態にあるため、瞬間的な変形ではなく、緩やかな変形の流動状態になっている。この緩やかな変形では、変形可能な形状についての自由度は高くない。
【００５８】
このため、変形規制部２９の断面は、成形素材３０の変形時の流動が十分に追従できるような形状に設定しておくのが好ましい。
ここで、図４Ａにおいて、変形規制部２９の断面形状の重心Ｏｗから各辺に下ろした垂線の長さＯＰｉに関して、最大長さＬｍａｘと最小長さＬｍｉｎとの差が大きいと、成形完了時点で最大長さＬｍａｘの部位に成形素材３０が充填されない未充填状態が発生する可能性が高まる。また、最小長さの部位で成形素材３０が溢れて成形バリになる過充填状態が発生する可能性が高まる。
【００５９】
次に、最小長さＬｍｉｎと最大長さＬｍａｘとの比ＲＬについて検討する。
成形素材３０が円形状に外方へ広がるときを想定してみる。
図５及び図６に示すように、補助型２７を有する場合と有しない場合とで、成形品３２の中心から外形側面３２ｃまでの長さについて比較する。
【００６０】
単純化のため、上型２２及び下型２４の成形面２２ａ，２４ａは平面とする。
図５において、補助型２７における変形規制部２９の断面を円形状とした場合、成形品４２は円柱形状となる（図７参照）。
【００６１】
このとき、成形素材３０の中心から円周部までの長さは円柱の半径であり、それをＬ１とする。また、厚みをｄとする。
また、図６に示すように、図５における補助型２７の開口部２８の径を大きくするすなわち補助型２７を取り外して成形素材３０を自由に変形できるようにした場合、成形品５２の外形形状は外方に膨らんだ樽状の円柱形状になる（図８参照）。
【００６２】
このとき、図８及び図９（図８を拡大して９０°回転した断面図）に示すように、樽状の成形品５２の両端面の断面形状を半円形状とし、中心から半円部の端部までの長さをＬ２とする。
【００６３】
円柱形状の成形品４２と樽状円柱形状の成形品５２とは、厚みｄと体積Ｖが等しいとする。この樽状円柱形状の成形品５２は、中間が矩形状でその両端側に夫々半円形が付加された形状をなしている。
【００６４】
そこで、改めて、前述した長さの比Ｒａ＝Ｌ２／Ｌ１について考える。
図７の円柱形状の成形品４２の体積Ｖは、Ｖ＝π×Ｌ１２×ｄである。
また、図８の樽状円柱形状の成形品５２の体積Ｖは、
図９のように座標軸をとると、点Ｑ，Ｒ，Ｓ（半円上の点）を結ぶ曲線ｙ＝ｆ（ｘ）は、
ｙ＝（Ｌ２−ｄ／２）＋√（（ｄ／２）２−ｘ２）
で表わされる。
【００６５】
よって、この成形品５２の立体の体積Ｖは、次の式で表される。
Ｖ＝２×∫０ｄ／２ｙ２πｄｘ＝２π∫０ｄ／２｛（Ｌ２−ｄ／２）＋√（（ｄ／２）２−ｘ２）｝２ｄｘ
そこで、上記の式を用いて計算すれば、成形品５２の体積Ｖが求められる。
【００６６】
上記前提の場合、実際の成形工程では存在しない形態になるが、同じ厚みをもつ円柱と球とが１つの極限状態になる。
このとき、比Ｒａ＝Ｌ２／Ｌ１は次のようになる。
【００６７】
１  ≦  Ｒａ  ≦  √（３／２）  （≒１．２３）    ………式（４）
実際に確認した範囲では、成形素材３０のガラスにある程度の自由な流動が生じるため、実験によると、実用的な条件範囲として比Ｒａの上限が１．３程度まで広がる。
【００６８】
このＲａが１．３よりも大きいとガラスの充填不足となってしまい、また、Ｒａが１よりも小さいとガラスの過充填状態となってしまう。
前述したように、補助型２７の変形規制部２９は、最小長さＬｍｉｎと最大長さＬｍａｘの比ＲＬが式（１）を満足している。
【００６９】
比ＲＬとＲａとは条件を対応させることで置き換えて考えることができる。
変形規制部２９が式（１）を満足すれば、ボール形状の成形素材３０を成形する段階で、変形規制部２９の断面を構成する各辺に到達するように成形素材３０を変形させることができる。
【００７０】
次に、補助型２７（変形規制部２９）の厚みｄについて条件を整理する。
ボール形状の成形素材３０を開口部２８の内部に配置するには、成形素材３０の半径ｒは最小長さＬｍｉｎよりも小さくなければならない。
【００７１】
この関係から、成形面を形成する時の変形規制部２９の厚みｄに上限が設けられる。
仮に、ｒ＝Ｌｍｉｎとしてボール形状の成形素材３０から円柱形状の成形品を成形する場合を考える。
【００７２】
円柱の厚みｄ１の上限は次のようになる。
ｄ１  ≦  ４／３×ｒ  （≒１．３４ｒ）    ………式（５）
前述したように、補助型２７の厚みｄと開口部２８の断面形状の最小長さＬｍｉｎとは式（２）を満足している。
【００７３】
補助型２７の厚みｄと円柱の厚みｄ１とは条件を対応させることで置き換えて考えることができる。
補助型２７が式（２）を満足すれば、ボール形状の成形素材３０を使って、成形品の光学機能面をできるだけ広い範囲で成形することができる。
【００７４】
次に、ボール形状の成形素材３０の体積Ｖｍについて条件を整理する。
上型２２の成形面２２ａ、下型２４の成形面２４ａ、開口部２８に囲まれた成形空間の体積をＶｃとする。
【００７５】
成形素材３０が変形して成形空間を完全に充填する場合が理想状態になる。
しかしながら、成形温度下ではガラスの粘性が比較的高いため、変形を規制した部位では成形素材３０の一部が補助型２７の上部からはみ出しやすくなる。
【００７６】
成形後にはみ出した部分を削り落とす必要がないように、成形素材３０は、式（３）を満足する範囲で、はみ出しが防止できる体積を管理する必要がある。
なお、本実施の形態において、成形された光学素子３２の形状、ボール形状の成形素材３０（あるいは光学素子）を構成するガラスの種類、製造工程の順序等については、上述の例示内容に限定されない。
【００７７】
例えば、光学素子３２における外形側面３２ｃの形状は、補助型２７の開口部２８の断面に囲まれた略小判形状以外にも、円形の一端のみを切り欠いたＤカット形状でも構わない。
【００７８】
また、光学素子３２の光学機能面３２ａ，３２ｂの形状及び非光学機能面３２ａ’，３２ｂ’の形状は、要求される光学的性能や仕様に応じて変更可能である。
さらに、上型２２及び下型２４はそれぞれ単一部品で構成される場合を例として示したが、複数の別体部品を組み合わせて構成してもよい。
【００７９】
また、本実施の形態で例示した光学素子の製造工程では、組立工程、加熱工程、成形工程、冷却工程を組み合わせる例を示したが、自動組立装置と組み合わせれば、組立工程と加熱工程の順序を入れ替えることも可能であり、加熱工程後に組立工程を入れた順序で製造しても構わない。
【００８０】
さらに、光学素子３２に反射防止などの機能を付加する場合は、後工程で光学素子３２の表面にコーティング処理を行ってもよい。
以上説明した本実施形態によれば、ガラス製の単一の成形素材３０を使用し、非回転対称体の外形形状を有する光学素子３２を得ることができる。また、ボール形状の成形素材３０を使用しているため体積ばらつきを抑えやすく、不良品の発生を防止して、安定した品質の光学素子３２を得ることができる。さらに、補助型２７の変形規制部２９に設定した条件範囲によって、光学素子３２の光学機能面３２ａ，３２ｂ、非光学機能面３２ａ’，３２ｂ’、及び外形側面３２ｃを同時にかつ高精度に成形することができる。
【００８１】
［第２の実施の形態］
図１０Ａ〜図１０Ｃは、第２の実施の形態を示す図である。なお、第１の実施形態と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。
【００８２】
基本的な構成は第１の実施形態と同様である。
第１の実施形態との相違点は、変形規制部２９の断面を矩形形状としたことである。
ボール形状の成形素材３０の体積Ｖｍについて下限値の条件を整理する。
【００８３】
上型２２の成形面２２ａ、下型２４の成形面２４ａ、変形規制部２９で囲まれた成形空間の体積をＶｃとし、その比をＲＶ＝Ｖｍ／Ｖｃとする。
単純化して考えるため、変形規制部２９の断面形状は、最小の辺の数を有する正三角形とする。
【００８４】
図１１において、断面が正三角形（辺の長さｓ）の三角柱と、三角柱に内接して同じ厚みをもつ円柱（半径ｒ）との関係から、ｓ＝２√３ｒであるから、成形面を広く形成したときに外形側面部が形成できなくなる条件としての体積比ＲＶの下限値を求める。
【００８５】
体積比ＲＶは次のようになる。
ＲＶ  ≧    π／（３√３）  （≒０．６）  ………式（６）
また、説明は省略するが、正方形の場合は体積比ＲＶの下限値は約０．８となる。
【００８６】
さらに、成形後にはみ出した部分を削り落とす必要がないように、成形素材３０は次の条件を満足する範囲で、はみ出しが防止できる体積を管理する必要がある。
ＲＶ  ≦  １    ………式（７）
体積比ＲＶは両者の条件を合わせた次の関係を満足させることで、未充填あるいは過充填を予め防止することができる。
【００８７】
０．６  ≦  ＲＶ  ≦  １    ………式（８）
本実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、成形できる光学素子３２の外形形状を多角形に広げることができる。
［第３の実施の形態］
図１２Ａ〜図１２Ｃは、第３の実施の形態を示す図である。なお、第１の実施形態と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。
【００８８】
基本的な内容は第１の実施形態と同様である。
第１の実施形態との相違点は変形規制部２９の断面を正六角形としたことである。
本実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、成形できる光学素子３２の外形形状を正多角形に広げることができる。
【００８９】
また、第２の実施形態と比較して、開口部２８の断面が正多角形であり、辺の数が増加することによって断面が円形状に近くなる。このため、光学素子３２の外形形状を安定して成形できるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】光学素子の製造装置の部分概念を示す図である。
【図２Ａ】常温下での金型組立体の組み立て状態を示す図である。
【図２Ｂ】加熱下での成形後の状態を示す図である。
【図２Ｃ】得られた光学素子の断面図である。
【図３Ａ】図２ＡのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図３Ｂ】図２ＢのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図３Ｃ】光学素子の平面図である。
【図４Ａ】補助型の平面図である。
【図４Ｂ】同上の側面断面図である。
【図５】金型組立体の組み立て状態を示す図である。
【図６】金型組立体の組み立て状態（補助型なし）を示す図である。
【図７】円柱形状の成形品の外観図である。
【図８】樽状円柱形状の成形品の断面図である。
【図９】同上の拡大図である。
【図１０Ａ】開口部が矩形状の組立状態の断面図である。
【図１０Ｂ】開口部が矩形状の成形後の状態の断面図である。
【図１０Ｃ】成形品の平面図である。
【図１１】開口部が正三角形をなす実施例を示す図である。
【図１２Ａ】開口部が正六角形の組立状態の断面図である。
【図１２Ｂ】開口部が正六角形の成形後の状態の断面図である。
【図１２Ｃ】成形品の平面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０      光学素子の製造装置
１２      上側プレート
１４      下側プレート
１５      基台
１６      上側カートリッジヒータ
１８      下側カートリッジヒータ
２０      金型組立体
２１      加圧装置
２２      上型
２２ａ    成形面
２２ｂ    平坦面
２４      下型
２４ａ    成形面
２４ｂ    平坦面
２６      スリーブ
２７      補助型
２８      開口部
２９      変形規制部
３０      成形素材
３１      中間成形品
３２      光学素子
３２ａ    光学機能面
３２ｂ    光学機能面
３２ａ’  非光学機能面
３２ｂ’  非光学機能面
３２ｃ    外形側面
４２      成形品
５２      成形品
【図２Ｃ】
2010006622.tif 000003
【図３Ｃ】
2010006622.tif 000004
【図４Ａ】
2010006622.tif 000005
【図４Ｂ】
2010006622.tif 000006
【図７】
2010006622.tif 000007
【図８】
2010006622.tif 000008
【図９】
2010006622.tif 000009
【図１０Ｃ】
2010006622.tif 000010
【図１１】
2010006622.tif 000011
【図１２Ｃ】
2010006622.tif 000012
【図１】
2010006622.tif 000013
【図２Ａ】
2010006622.tif 000014
【図２Ｂ】
2010006622.tif 000015
【図３Ａ】
2010006622.tif 000016
【図３Ｂ】
2010006622.tif 000017
【図５】
2010006622.tif 000018
【図６】
2010006622.tif 000019
【図１０Ａ】
2010006622.tif 000020
【図１０Ｂ】
2010006622.tif 000021
【図１２Ａ】
2010006622.tif 000022
【図１２Ｂ】
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