(57)【要約】【課題】成形金型に供給される溶融ガラスの体積が大きい場合であっても、高精度な光学面を有する光学素子を効率良く製造することができる光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】溶融ガラスを受ける下型と、下型と協働して溶融ガラスを加圧成形する上型と、下型の上で溶融ガラスの広がりを規制するための側壁とを有する成形金型を用いる。下型の上に溶融ガラスを供給し、所定時間後、側壁と下型とを相対的に移動させて側壁を溶融ガラスと接触しない位置に退避させ、下型と上型とで溶融ガラスを加圧成形して第１の光学面を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融ガラスを成形金型で加圧成形して、少なくとも１つの光学面を有する光学素子を製造する光学素子の製造方法において、
前記成形金型は、前記溶融ガラスを受ける下型と、前記下型と協働して前記溶融ガラスを加圧成形する上型と、前記下型の上で前記溶融ガラスの広がりを規制するための側壁と、を有し、
前記下型の上に前記溶融ガラスを供給する溶融ガラス供給工程と、
前記溶融ガラスの供給から所定時間後に、前記側壁と前記下型とを相対的に移動させ、前記側壁を前記溶融ガラスと接触しない位置に退避させる側壁退避工程と、
前記側壁退避工程の後、前記下型と前記上型とで前記溶融ガラスを加圧成形して第１の光学面を形成する加圧成形工程と、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】
前記成形金型は前記光学素子の側面を形成するための側面型を有し、
前記加圧成形工程において、前記光学素子の側面に前記側面型による成形転写面を形成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】
前記加圧成形工程で形成された前記第１の光学面に対向する第２の光学面を、研磨加工によって形成する工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記加圧成形工程で形成された前記第１の光学面に反射膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１の光学面は、前記上型によって形成された光学面であることを特徴とする請求項３又は４に記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融ガラスを成形金型で加圧成形してガラス製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】
今日、ガラス製の光学素子は、デジタルカメラ用レンズ、ＤＶＤ等の光ピックアップレンズ、携帯電話用カメラレンズ、光通信用のカップリングレンズ、各種ミラーなどとして広範にわたって利用されている。かかるガラス製の光学素子は、ガラス素材を成形金型で加圧成形するプレス成形法により製造されることが多くなってきた。特に、光学面が非球面形状を有する光学素子は、研磨加工による面形成が容易でないことから、成形金型によるプレス成形法による製造が一般的になりつつある。その中でも、溶融ガラスを成形金型で直接加圧成形してガラス製の光学素子を得るダイレクトプレス法は、高い生産効率を期待できることから注目されている。
【０００３】
溶融ガラスを成形金型で直接加圧成形してガラス製の光学素子を得る方法として、ノズル先端からの溶融ガラスを支持部材に滞留させたあと、該支持部材をノズル先端から退避させ、得られたガラスゴブ（溶融ガラスの塊）を上型と下型とで加圧成形する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
また、受け型に供給された溶融ガラスを下型の上に搬送した後、上下金型で加圧成形することによって、上面側の光学面のみを上型の成形面の転写によって形成し、下面側の光学面は追加工（研削・研磨加工）によって形成してガラスレンズを製造する方法が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００５】
特許文献１や２に記載された方法のように溶融ガラスを成形金型で直接加圧成形する方法においては、所定温度に加熱された金型に金型よりも高温の溶融ガラスが供給される。供給された溶融ガラスは主に金型との接触面からの放熱によって冷却されて固化する。この冷却過程において、溶融ガラスの中心部分と周辺部分とに温度差が生じると、冷却に伴う収縮量に違いが生じ高精度な光学面を形成することが困難となる。
【０００６】
このような観点から、特許文献２では、成形されるレンズの肉厚が全面にわたって均一になるように下型の受け面を形成することで、レンズの径方向の冷却速度の分布を小さくしてレンズの上面側に高精度な光学面が得る方法が提案されている。
【特許文献１】特開平６−２０６７３０号公報
【特許文献２】特開平８−２０８２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、例えば、溶融ガラスの体積が比較的大きい場合など、供給された溶融ガラスが表面張力のみでは所定の形状、厚みを維持できない場合がある。このような場合には、下型の上で溶融ガラスの広がりを規制するための側壁を用いる必要がある。
【０００８】
このように、側壁を有する成形金型に溶融ガラスを供給すると、供給された溶融ガラスは下型と接触するだけでなく、側壁とも接触することになる。溶融ガラスは、これらとの接触面からの放熱によって急速に冷却されるため、溶融ガラスの中心部分よりも周辺部分の方が急速に冷却が進むことになる。その結果、溶融ガラスの中心部分と周辺部分とで冷却に伴う収縮量に違いが生じ、高精度な光学面を形成することができないという問題があった。
【０００９】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、成形金型に供給される溶融ガラスの体積が大きい場合であっても、高精度な光学面を有する光学素子を効率良く製造することができる光学素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。
【００１１】
１．  溶融ガラスを成形金型で加圧成形して、少なくとも１つの光学面を有する光学素子を製造する光学素子の製造方法において、前記成形金型は、前記溶融ガラスを受ける下型と、前記下型と協働して前記溶融ガラスを加圧成形する上型と、前記下型の上で前記溶融ガラスの広がりを規制するための側壁と、を有し、前記下型の上に前記溶融ガラスを供給する溶融ガラス供給工程と、前記溶融ガラスの供給から所定時間後に、前記側壁と前記下型とを相対的に移動させ、前記側壁を前記溶融ガラスと接触しない位置に退避させる側壁退避工程と、前記側壁退避工程の後、前記下型と前記上型とで前記溶融ガラスを加圧成形して第１の光学面を形成する加圧成形工程と、を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【００１２】
２．  前記成形金型は前記光学素子の側面を形成するための側面型を有し、前記加圧成形工程において、前記光学素子の側面に前記側面型による成形転写面を形成することを特徴とする前記１に記載の光学素子の製造方法。
【００１３】
３．  前記加圧成形工程で形成された前記第１の光学面に対向する第２の光学面を、研磨加工によって形成する工程を有することを特徴とする前記１又は２に記載の光学素子の製造方法。
【００１４】
４．  前記加圧成形工程で形成された前記第１の光学面に反射膜を形成する工程を有することを特徴とする前記１又は２に記載の光学素子の製造方法。
【００１５】
５．  前記第１の光学面は、前記上型によって形成された光学面であることを特徴とする前記３又は４に記載の光学素子の製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、溶融ガラスの供給から所定時間後に、側壁を溶融ガラスと接触しない位置に退避させるため、供給された溶融ガラスの周辺部分の冷却が抑制されて中心部分と周辺部分の温度差を最小限に抑えることができる。従って、成形金型に供給される溶融ガラスの体積が大きい場合であっても、高精度な光学面を有する光学素子を効率良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
〈実施形態１〉
（成形金型）
図１は、本実施形態で用いる成形金型１０の断面図である。成形金型１０は、溶融ガラスを受ける下型１１、下型１１と協働して溶融ガラスを加圧成形する上型１２及び下型１１の上で溶融ガラスの広がりを規制するための側壁１３を備えている。
【００１９】
下型１１は溶融ガラスを受けるための受け面１４を有し、上型１２は光学素子の光学面を形成するための成形面１５を有している。下型１１は加圧手段１８によって上下に駆動可能に構成されている。側壁１３は、溶融ガラスと接触する内壁面１６を有し、上下方向への移動と回転移動の可能な回転軸１７に接続されて、下型１１に対して相対的に移動可能となっている。
【００２０】
下型１１及び上型１２の材質は、炭化タングステンを主成分とする超硬材料、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、カーボンなど、ガラス製光学素子を加圧成形するための成形金型として公知の材料の中から適宜選択して用いることができる。また、これらの材料の表面に各種金属やセラミックス、カーボンなどの保護膜を形成したものを用いることもできる。下型１１及び上型１２を同一の材質としても良いし、それぞれ別の材質としても良い。
【００２１】
側壁１３の材質は、下型１１や上型１２と同様の材質を用いることができる。特に、カーボンやカーボンとセラミックスの複合材料、あるいはこれらの表面にセラミックス等の保護膜を形成したものは、溶融ガラスとのぬれ性が低く溶融ガラスの張り付きが起こり難いため好ましい。
【００２２】
下型１１、上型１２、側壁１３は、加熱手段としてヒーター３１及び温度センサー３２をそれぞれ有している。しかし、このように成形金型１０のそれぞれの部材を独立して温度調節することができる構成とすることは必ずしも必須ではなく、成形金型１０の全体を一つ、あるいは複数のヒーターでまとめて加熱するような構成としても良い。ヒーター３１は、公知の各種のヒーターの中から適宜選択して用いることができる。例えば、部材の内部に埋め込んで使用するカートリッジヒーターや、部材の外側に接触させて使用するシート状のヒーターなどを用いることができる。また、温度センサー３２としては、種々の熱電対の他、白金測温抵抗体、各種サーミスタなど公知の手段を使用することができる。
【００２３】
（溶融ガラス供給工程）
本実施形態における光学素子の製造方法は、下型１１の上に溶融ガラスを供給する溶融ガラス供給工程、溶融ガラスの供給から所定時間後に、側壁１３と下型１１とを相対的に移動させ、側壁１３を溶融ガラスと接触しない位置に退避させる側壁退避工程を行った後、下型１１と上型１２とで溶融ガラスを加圧成形して第１の光学面を形成する加圧成形工程を行うことにより光学素子を製造する方法である。
【００２４】
溶融ガラスの供給に際しては、上述の加熱手段によって成形金型１０の下型１１、上型１２、側壁１３を予め所定の温度に加熱しておく。加熱温度は、製造される光学素子に、成形面１５等の形状が良好に転写された光学面が形成される温度範囲に設定する必要がある。通常、成形するガラスのＴｇ（ガラス転移点）−１００℃からＴｇ＋１００℃程度の温度範囲とすることが好ましい。加熱温度が低すぎると光学素子に良好な光学面を形成することが困難になってくる。逆に、必要以上に温度を高くしすぎることは、ガラスと成形金型１０との融着を防止する観点や、成形金型１０の寿命の観点から好ましくない。実際には、成形するガラスの材質や、成形体の形状、大きさ、成形金型の材質、保護膜の種類、ヒーターや温度センサーの位置等種々の条件を考慮に入れて適正な温度を決定する。成形金型１０を構成する下型１１、上型１２、側壁１３の設定温度をすべて同じにしても良いし、それぞれ異なる設定温度としても良い。
【００２５】
溶融ガラスの供給から加圧成形によって光学素子を得るまでの各工程において、成形金型の設定温度を時間的に変化させても良いし、全ての工程で同一の設定温度としても良い。製造時間の短縮や得られる光学面の形状安定性といった観点からは、全ての工程において同一の設定温度とすることが好ましい。
【００２６】
図２は、本実施形態の各工程における成形金型１０、溶融ガラス４０等の状態を示す模式図である。図２（ａ）、（ｂ）は溶融ガラス供給工程における状態を、図２（ｃ）は側壁１３を退避させた後の状態を、図２（ｄ）は加圧成形中の状態をそれぞれ示している。
【００２７】
先ず、図２（ａ）、（ｂ）を用いて溶融ガラスの供給工程について説明する。溶融ガラスが貯留される溶融槽３４の下部にはノズル３３が設けられており、溶融槽３４とノズル３３はヒーター３５により所定温度に加熱されている。ノズル３３の先端から溶融状態のガラス滴が自重により落下する状態で下型１１をノズル３３の先端に接近させて受け面１４に溶融ガラス４０を滞留させる（図２（ａ））。その後、下型１１を下方に引き下げることで溶融ガラス４０が切断され、所定量の溶融ガラス４０の供給が完了する（図２（ｂ））。
【００２８】
供給された溶融ガラス４０は側壁１３に接触し、下型１１の上で溶融ガラス４０が所定の範囲よりも広がらないように溶融ガラス４０の側面４１が規制されている。そのため、多量の溶融ガラスを供給する場合であっても、供給された溶融ガラスが広がりすぎて下型１１から流れ落ちることはなく、下型１１の上で所定の形状、厚みを維持することができる。特に、溶融ガラスの体積が５００ｍｍ3以上の場合、側壁１３との接触がなければ下型１１の上で所定の形状、厚みを維持することが困難であるため、本発明の方法を用いることが特に効果的である。
【００２９】
また、溶融ガラス４０を供給する方法はこれに限定されるものではなく、他の公知の手法を用いることもできる。例えば、ノズルの先端から溶融ガラスが液線状態で流出する状態で下型に所定量の溶融ガラスを滞留させた後、金属ブレードによって溶融ガラスを切断する方法を用いることもできる。
【００３０】
使用できるガラスの種類に特に制限はなく、光学的用途に用いられる公知のガラスを用途に応じて選択して用いることができる。例えば、リン酸系ガラス、ランタン系ガラスなどが挙げられる。
【００３１】
（側壁退避工程）
成形金型１０の温度は供給される溶融ガラス４０の温度よりも低いため、供給された溶融ガラス４０は時間の経過と共に冷却される。溶融ガラス４０の冷却は、成形金型１０との接触面からの放熱による部分が大きい。本実施形態においては供給された溶融ガラス４０の側面４１が側壁１３に接触しているために側面４１近傍の冷却速度が大きく、そのままの状態で冷却が進むと溶融ガラスの中心部分と周辺部分とに大きな温度差が生じてしまう。
【００３２】
そのため本発明においては、溶融ガラスの供給から所定時間後に、側壁１３と下型１１とを相対的に移動させ、側壁１３を溶融ガラス４０と接触しない位置に退避させる。本実施形態では、側壁１３が接続された回転軸１７を上昇させることで側壁１３と溶融ガラス４０とが接触しない状態としている。その後、回転軸１７を回転させることにより側壁１３を加圧成形の障害とならない位置まで移動させる。図２（ｃ）は、側壁１３を溶融ガラス４０と接触しない位置に退避させた後の下型１１と溶融ガラス４０の状態を示している。
【００３３】
側壁１３の退避は、側壁１３との接触によって溶融ガラス４０の側面４１が冷却されて、側面４１近傍の粘度が高くなり、側壁１３を退避しても周囲に流れ出すことなく形状、厚みを維持することができるようになった時点で行う。側壁１３を退避するタイミングが早すぎると、側壁１３との接触部の粘度が低すぎて溶融ガラス４０が形状を維持できずに周囲に流れ出してしまう。逆に、タイミングが遅すぎると側壁１３との接触部の温度が下がりすぎ、溶融ガラスの中心部分と周辺部分との温度差が大きくなりすぎて、精度の高い光学面を得ることが困難となる。適切なタイミングで側壁１３を退避することで、中心部分と周辺部分の温度差がそれ以上拡大するのを防止できるだけではなく、熱伝導によって温度差は徐々に減少していくため、高精度の光学面を有する光学素子を製造することができる。
【００３４】
側壁の退避を行う適切なタイミングは、溶融ガラス４０の種類や体積、外径、厚み、製造する光学素子の形状等によって異なるため、これらの条件に応じて適宜調節すれば良い。例えば、溶融ガラス４０の体積が５００ｍｍ3程度の場合は、溶融ガラス４０が下型１１に供給されてから５〜２０秒後、溶融ガラス４０の体積が５０００ｍｍ3程度の場合は１０〜３０秒後とすることが好ましい。
【００３５】
なお、側壁１３を溶融ガラス４０と接触しない位置に退避させるために側壁１３と下型１１とを相対的に移動させる方法は、上述の方法に限定されるものではない。例えば、側壁１３は固定したまま、下型１１を移動させることもできる。また、側壁１３を複数の部材で構成しておき、所定のタイミングで複数に分割して退避させても良い。
【００３６】
（加圧成形工程）
側壁退避工程の後、下型１１と上型１２とで溶融ガラス４０を加圧成形する。図２（ｄ）は、加圧成形中の成形金型１０と溶融ガラス４０を示している。溶融ガラス４０は、下型１１と上型１２とで加圧される間に更に冷却が進む。溶融ガラス４０が十分に固化する温度まで冷却された後、加圧を解除して成形金型から光学素子を取り出す。加圧成形を開始する時点において、溶融ガラスの中心部分と周辺部分とに大きな温度差が生じていないことから、高精度の光学面を有する光学素子を得ることができる。
【００３７】
加圧を解除する際の光学素子の温度は、ガラスの種類や、光学素子の大きさや形状、必要な精度等によるが、通常はガラスのＴｇ近傍の温度まで冷却されていれば良い。必要な加圧時間、荷重も種々の条件によって異なるが、通常は、加圧時間が１０秒〜３００秒、荷重が５００Ｎ〜２００００Ｎの範囲の中から適切な値を選択すれば良い。
【００３８】
加圧手段に特に制限はなく、エアシリンダ、油圧シリンダ、サーボモータを用いた電動シリンダ等の公知の加圧手段を適宜選択して用いることができる。加圧手段で駆動するのは下型、上型の何れでも良い。また、両方を駆動しても良い。
【００３９】
なお、得られた光学素子に残存する歪みを除去し、屈折率等の品質を均一化して更に高精度の光学素子とするために、光学素子をアニールする工程を設けることもできる。
【００４０】
〈実施形態２〉
本実施形態では、上述の実施形態１と同様に加圧成形によって光学素子の第１の光学面を形成し、その後更に第１の光学面に対向する第２の光学面を研磨加工によって形成することで最終的な光学素子を製造する。
【００４１】
図３は本実施形態で製造する光学素子の断面図である。図３（ａ）は加圧成形によって第１の光学面が形成された状態を、図３（ｂ）は研磨加工によって第２の光学面が形成された最終的な状態を示している。
【００４２】
先ず、実施形態１と同様に、成形金型１０を用いた加圧成形によって光学素子４５を作製する。光学素子４５は、上型１２によって形成された転写面４２と、下型１１によって形成された転写面４３を有している。このうち上型１２によって形成された転写面４２を第１の光学面とし、光学素子４５を図３（ａ）の破線の位置で研磨加工することによって第１の光学面に対向する第２の光学面４４を形成して、最終的な光学素子４６を製造する。
【００４３】
光学素子４６のように中心部分と周辺部分の肉厚が大きく異なる光学素子を加圧成形によって直接製造する場合には、加圧成形中の冷却過程における冷却速度に差が生じやすく、形成される光学面の精度に悪影響を与える場合がある。本実施形態のように、中心部分と周辺部分の肉厚差が小さい形状で加圧成形を行い、その後の研磨加工によって第２の光学面を形成することで、肉厚差が大きい形状であっても、高精度な光学面を有する光学素子を効率よく製造することができる。
【００４４】
上型１２によって形成された転写面４２と下型１１によって形成された転写面４３の何れを第１の光学面としても良い。通常は、上型１２によって形成された転写面４２は、溶融ガラスの温度が均一化してから接触する部分であり、下型１１によって形成された転写面４３よりも高い精度が得られる場合が多い。かかる観点からは、上型１２によって形成された転写面４２を第１の光学面とし、研磨加工によって対向する第２の光学面を形成することが好ましい。
【００４５】
研磨加工は、公知の手法を適宜選択して用いることができる。また、研磨加工の前に、高速研削機（カーブジェネレータ）等を用いた粗摺加工、ダイヤモンドペレット等を用いた精研削加工等を行っても良い。また、研削等によって光学素子の外径面を形成しても良い。
【００４６】
〈実施形態３〉
（成形金型）
図４は、本実施形態で用いる成形金型２０の断面図である。成形金型２０は、実施形態１で用いた成形金型１０と同様に、下型２１、上型２２及び側壁２３を備えている。下型２１は受け面２４を有し、上型２２は成形面２５を有している。側壁２３は、溶融ガラスと接触する内壁面２６を有し、上下方向への移動と回転移動の可能な回転軸１７に接続されて下型２１に対して相対的に移動可能となっている。更に、ヒーター３１、温度センサー３２、加圧手段１８を備えている
本実施形態で用いる成形金型２０が成形金型１０と異なるのは、加圧成形によって光学素子の側面を形成するための側面型２７を有している点である。側面型２７は上型２２に固定されている。側面型２７は、上型２２からの熱伝導によって昇温される構成としても良いし、図４のようにヒーター３１と温度センサー３２を有し、独立して温度制御ができる構成としても良い。また、側面型２７の材質としては、下型２１、上型２２、側壁２３等と同様の材質を用いることができる。
【００４７】
本実施形態においては、溶融ガラス供給工程から側壁退避工程までは実施形態１の場合と同じであり、加圧成形工程において光学素子の側面に側面型２７による成形転写面が形成される点が異なっている。
【００４８】
図５は、加圧成形中の成形金型２０と光学素子５０を示す模式図である。光学素子５０には、下型２１による転写面５１、上型２２による転写面５２に加えて、側面型２７による転写面５３が形成される。転写面５３は、光学素子５０の側面全体に形成されても良いし、側面の一部のみに形成されても良い。本実施形態においては、加圧成形を行う段階で溶融ガラスが側面型２７に初めて接触することから、溶融ガラスの中心部分と周辺部分の温度差を広げることはなく、側面に転写面を有する光学素子の光学面を高精度に形成することができる。なお、形成された転写面５３は、得られた光学素子５０に研磨加工等の追加工を加える際の基準面としたり、光学素子５０を組み込む際の位置決め基準面として用いることができる。
【００４９】
〈実施形態４〉
実施形態３の方法によって得られた光学素子５０の、上型２２による転写面５２を第１の光学面とし、その上に反射膜を形成することで高精度な反射面を有する光学素子を製造することができる。
【００５０】
図６は、反射膜の形成された光学素子５４の断面図である。光学素子５０の転写面５２の上に反射膜５５を有している。反射膜は、上型２２による転写面５２と、下型２１による転写面５１の何れに形成しても良い。通常は、上型１２によって形成された転写面５２は、溶融ガラスの温度が均一化してから接触する部分であり、下型１１によって形成された転写面５１よりも高い精度が得られる場合が多い。かかる観点からは、上型１２によって形成された転写面５２を第１の光学面として反射膜５５を形成することが好ましい。
【００５１】
反射膜５５の種類は特に限定されるものではなく、銀、アルミ等の金属ミラーでも良いし、誘電体を積層した多層膜ミラーであっても良い。また、反射膜５５の形成方法も特に限定されず、真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法など公知の方法を適宜選択して用いれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施形態１で用いる成形金型１０の断面図である。
【図２】実施形態１の各工程における成形金型１０、溶融ガラス４０等の状態を示す模式図である。
【図３】実施形態２で製造する光学素子の断面図である。
【図４】実施形態３で用いる成形金型２０の断面図である。
【図５】加圧成形中の成形金型２０と光学素子５０を示す模式図である。
【図６】反射膜の形成された光学素子５４の断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０、２０  成形金型
１１、２１  下型
１２、２２  上型
１３、２３  側壁
２７  側面型
４０  溶融ガラス
４１  側面
４２、５２  転写面（第１の光学面）
４４  第２の光学面
４５、４６、５０、５４  光学素子
５５  反射膜
【図１】
2008230874.tif 000003
【図２】
2008230874.tif 000004
【図３】
2008230874.tif 000005
【図４】
2008230874.tif 000006
【図５】
2008230874.tif 000007
【図６】
2008230874.tif 000008