(57)【要約】【課題】既存の成型方法では金型の温度によって圧力やヒータの出力電力を制御している。これは、金型に囲まれているため、放射温度計などによるガラス素材温度の直接観察は困難であり、さらに、熱電対などによるガラス素材温度の測定では光学素子の形状精度を劣化させるため使用不可能であることが原因となっている。このため、ガラス素材の温度に敏感である弾性率もしくは粘度の詳細な制御は困難であり、高精度な光学素子を再現性良く作製することは困難であった。【解決手段】本発明は、ガラスレンズ作製方法において、一方の金型に超音波発振素子７、他方に超音波受信素子８を設置し、その超音波の伝達速度、位相ずれを測定することによって、ガラスレンズの粘度・弾性率を測定し、粘度測定値が１０6程度になるようにヒータ出力量を、また、弾性率により算出される変形に必要な金型の加圧量を制御することによって、高精度なレンズを安定して提供する。【選択図】図４
2008115043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス素材と、その中心を通る鉛直軸上に前記ガラス素材を上下に挟む様に配置された上側金型と下側金型と、前記ガラス素材と前記上側金型と前記下側金型とを囲うように配置されそれらを温度制御するヒータと、前記下側金型を前記ガラス素材の中心を通る鉛直軸上に沿って上方向に加圧する加圧機構と、前記下側金型の移動量を測定する変位計と、前記下側金型の底面に設置された超音波発振素子と、前記上側金型の上面に設置された超音波受信素子とで構成される成型機において、前記超音波発振素子によって発せられた超音波の振幅と、前記超音波受信素子とで受信した超音波の振幅とを測定し、前記ガラス素材の密度と、前記ガラス素材を伝達することによって発生する振幅変化量と位相変化量とから、前記ヒータによって加熱される前記ガラス素材の粘度を算出し、その値がガラス転移点での粘度から軟化点での粘度の間の値になるように前記ヒータへの投入電力を制御することを特徴としたガラス光学素子の成型方法。
【請求項２】
ガラス素材と、その中心を通る鉛直軸上に前記ガラス素材を上下に挟む様に配置された上側金型と下側金型と、前記ガラス素材と前記上側金型と前記下側金型とを囲うように配置されそれらを温度制御するヒータと、前記下側金型を前記ガラス素材の中心を通る鉛直軸上に沿って上方向に加圧する加圧機構と、前記下側金型の移動量を測定する変位計と、前記下側金型の底面に設置された超音波発振素子と、前記上側金型の上面に設置された超音波受信素子とで構成される成型機において、前記超音波発振素子によって発せられた超音波の縦波と横波が前記超音波受信素子までの伝達時間と、前記変位計より測定した前記上側金型と前記下側金型の距離とによって前記ガラス素材の超音波伝達速度を測定し、前記ガラス素材の超音波伝達速度と上記ガラス素材の密度を用いて弾性率を算出し、その弾性率より前記ガラス素材の変形に必要な圧力を解析することによって、前記加圧機構の圧力を制御することを特徴としたガラス光学素子の成型方法。
【請求項３】
前記超音波発振素子において超音波の周波数範囲を０．２〜６０ＭＨｚとし、１００ｋＨｚ以下に周波数の広がりを抑えた３〜５周期パルスの透過超音波を用いることを特徴とした、請求項１、請求項２のいずれか少なくとも一方に記載のガラス光学素子の成型方法。
【請求項４】
前記超音波発振素子において、超音波の周波数範囲を０．２〜６０ＭＨｚとし、１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚの周波数の広がりを持った３〜５周期パルスの透過超音波をフーリエ変換することによって得られる周波数毎の振幅と位相を用いて、ガラス素材内の超音波伝達速度、振幅変化量や位相変化量を測定することを特徴とした、請求項１、請求項２のいずれか少なくとも一方に記載のガラス光学素子の成型方法。
【請求項５】
前記超音波発振素子と前記超音波受信素子の間に含まれる、密度が変化する境界で発生する位相変化量を、前記超音波発振素子と前記超音波受信素子との間で発生する位相変化量から差し引くことによって、ガラス素材の粘度による位相変化量のみを算出することを特徴とした、請求項３、請求項４のいずれか少なくとも一方に記載のガラス光学素子の成型方法。
【請求項６】
前記下側金型の底面に超音波受信素子を設置し、前記超音波発振素子より発せられた超音波が、前記ガラス素材と前記した前記上側金型との境界によって反射し前記超音波受信素子に到達するまでの所要時間を測定することによって、前記下側金型の変化量を測定することを特徴とした、請求項３、請求項４のいずれか少なくとも一方に記載のガラス光学素子の成型方法。
【請求項７】
前記超音波発振素子において超音波の周波数範囲を０．２〜６０ＭＨｚとし、１００ｋＨｚ以下の広がりを抑えた３〜５周期パルスの反射超音波を用いることを特徴とした、請求項５、請求項６のいずれか少なくとも一方に記載のガラス光学素子の成型方法。
【請求項８】
前記超音波発振素子において、超音波の周波数範囲を０．２〜６０ＭＨｚとし、１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚの波長帯域を持った３〜５周期パルスの透過超音波をフーリエ変換することによって得られる周波数毎の振幅と位相を用いて、ガラス素材内の超音波伝達速度や振幅変化量を測定することを特徴とした、請求項５、請求項６のいずれか少なくとも一方に記載のガラス光学素子の成型方法。
【請求項９】
前記超音波発振素子、前記超音波受信素子のうち少なくとも一方に、チタン酸ジルコニア鉛リチウムや窒化アルミニウムといったキュリー点が３００度以上であり、成型を行う温度においても超音波を発信することのできる材料を使用することを特徴とした、請求項１、請求項２のいずれか少なくとも一方に記載の成型方法を用いたガラス光学素子の成型装置。
【請求項１０】
前記上側金型と前記超音波受信素子との間、もしくは前記下側金型と前記超音波発振素子および前記超音波受信素子との間の、いずれか少なくとも一方に、金型より低い熱伝導率を持った円柱状の温度緩衝材料を具備することを特徴とした、請求項１、請求項２のいずれか少なくとも一方に記載の成型方法を用いたガラス光学素子の成型装置。
【請求項１１】
前記温度緩衝材料の側面に、液体を循環させた、もしくはペルチェ素子を用いた冷却機構と、前記超音波発振素子もしくは前記超音波受信素子の温度を測定する温度測定器を具備することを特徴とした、請求項１０に記載のガラス光学素子の成型装置。
【請求項１２】
前記上側金型および前記下側金型とガラス素子との境界で生じる超音波の反射率よりも、前記上側金型および前記下側金型と前記温度緩衝材料との境界で生じる超音波の反射率が小さくなるように、温度緩衝材料の密度と超音波の伝達速度の積が、前記下側金型の密度と超音波の伝達速度の積より小さい材料とすることを特徴とした、請求項１０に記載のガラス光学素子の成型装置。
【請求項１３】
前記上側金型、前記下側金型の少なくともどちらか一方と接する前記温度緩衝材料において、金型との接触面の形状が円錐もしくは紡錘形状である温度緩衝材と、温度緩衝材との接触面が円錐もしくは紡錘をくりぬいた形状である金型とを具備することを特徴とした、請求項１、請求項２のいずれか少なくとも一方に記載のガラス光学素子の成型装置。
【請求項１４】
前記ガラス素材と前記上側金型、前記下側金型付近を集中的に加熱する、電磁誘導加熱方式ヒータを具備することを特徴とした、請求項１、請求項２のいずれか少なくとも一方に記載のガラス光学素子の成型装置。
【請求項１５】
前記ガラス素材と前記上側金型、前記下側金型付近を集中的に加熱する、セラミックヒータを具備することを特徴とした、請求項１、請求項２のいずれか少なくとも一方に記載のガラス光学素子の成型装置。
【請求項１６】
成型に必要な、前記ガラス素材、前記上側金型、前記下側金型、前記ヒータ、前記加圧機構、前記変位計、前記超音波発振素子、前記超音波受信素子、前記温度緩衝材料のすべてを大気から遮断する成型室と、前記成型室内の減圧機構とを具備することを特徴とした、請求項１、請求項２のいずれか少なくとも一方に記載のガラス光学素子の成型装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス素材を加熱し、金型でプレスすることにより、光学素子を作製する成型装置および、成型方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルスチールカメラや携帯電話用カメラの小型化・高画素化の要望により、小型で高精度なレンズが求められている。
【０００３】
光学素子としては、プラスチックレンズや、ガラスレンズなどが挙げられる。プラスチックレンズは常温において硬度が低く、また１００〜２００℃の比較的低温で粘度が低下するため、製造方法としては射出成型が用いられる。一方、ガラスレンズの場合、常温における硬度が高く、４００〜９００℃程度まで加熱すると急激に粘度が低下する材料特性を活かして、ガラス素材の研削・研磨による光学形状を形成する方法と、ガラス素材を加熱し光学形状を形成された金型でプレスするという２種類の光学素子の製造方法が有る。
【０００４】
前者のガラスレンズ作製方法は、研削・研磨による光学形状作製工程が多いため、特に非球面レンズ素子などの高精度な光学形状を作製する場合は同一の精度で大量生産することが困難であるという欠点を持つ。
【０００５】
一方、後者の作製方法は、同一の精度で大量生産を行うことが可能であるため、複数のレンズの性能を持ち小型化に大きく寄与する非球面レンズ素子を大量に生産する場合に多用されている。
【０００６】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３が知られている。
【特許文献１】特許第３７２３２４８号公報
【特許文献２】特開２００３−１７６１３７号公報
【特許文献３】特許第２６７０７３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ガラス素材を加熱し、光学形状を形成された金型に押し当てて形状転写することによって、一定精度以上のガラスレンズを大量に生産することが可能であるが、高精度化には、金型作製技術と、成型技術が重要となる。金型作製技術においては、ガラス素材と同様に研削・研磨加工技術を用いるため、ガラス素材を直接加工する場合とほぼ同等の精度を得ることが可能である。
【０００８】
成型技術としては、ガラス素材の割れや、金型とガラス素材の反応や固着、熱による膨張・収縮などによる精度の劣化を抑えるために、金型の温度によってガラス素材の粘度や弾性率の状態を間接的に観測し、圧力やヒータの出力電力を制御している。これは、ガラス素材が金型に囲まれているため、放射温度計などによるガラス素材温度の測定は困難であり、金型に穴を空けて熱電対によるガラス素材温度の測定を行った場合は、ガラスレンズの形状精度が劣化する。
【０００９】
そのため、ガラス素材の温度に敏感である弾性率もしくは粘度の直接測定による、成型条件の詳細な制御は困難であり、高精度な光学素子を再現性良く作製することは困難であった。そこで、温度や圧力などのガラス素材の成型条件を高精度に制御するために、ガラス素材の弾性率や粘度を高精度に測定することが必要となる。
【００１０】
弾性率の測定方法として超音波の伝達速度測定、粘度の測定方法として超音波の減衰測定、が挙げられる。プラスチック射出成型において、ポアソン比の測定による成型条件制御があるが、これはプラスチックの粘度が低く、温度に対しても大きな変化を示さない材料特性を利用したものであり、ガラスの場合は、温度に対するポアソン比の変化量は、弾性率や粘度の変化量と比べて著しく小さく、成型条件の制御を高精度に行うことは困難であるという課題を有していた。
【００１１】
本発明は上記問題点を解決するもので、ガラス素材の粘度や弾性率の測定結果を用いて成型条件を制御することによって、高精度なレンズを安定して提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
粘度とその測定方法について説明する。一般的に流体を各種外力によって動かそうとした場合、流体内にこれに逆らう力を生じる。この変形に対する抵抗を粘性といい、これを示す指標が粘度である。２枚の板の間に試料を挟み固定し、このときの２枚の板の距離をｔ0とし、板の面積をＡとする。一方の板に面に平行方向の力Ｆを加えてこれを一定速度ｕ0で動かす。このとき板が受ける単位面積あたりの力Ｆ／Ａはｕ0に比例し、ｔ軸方向の微小区間Δｔ0における速度の変化量Δｕ0を用いて次のように表現できる。
【００１３】
Ｆ／Ａ＝η・Δｕ0／Δｘ0
この、比例定数μが粘度である。
【００１４】
上記式において、Δｔ0→０の極限では次のように表わせる。
【００１５】
Ｆ／Ａ＝η・∂ｕ0／∂ｘ0
粘度測定の一種として、Gap Loading法とSurface Loading法による測定が挙げられる。Gap Loading法は、試料を２枚の振動板で挟みその一方の板をｘ＝０とし、ｙ軸方向に振動を与え、他方でその振動の位相を測定する。このとき、測定精度を向上させるために印加する振動の波長に対して、２枚の振動板の距離を波長よりも小さくすることによって高精度な測定が可能になる。超音波の横波の振動速度をＶ0、角周波数をω、振動振幅をＵ0、伝達係数をΓ、２枚の板の厚みをｔとした場合に、次のように表現できる。
【００１６】
Ｖ０＝２・Ｕ0・ｉ・ｃｏｓ（Γ・ｔ）・ｅｘｐ（ｉ・ω・ｔ）
この伝達速度を用いたときの、振動板にかかる力Ｆは次のように表現できる。
【００１７】
Ｆ（ｚ、ｔ）／Ａ＝η・∂ｕ0（ｚ、ｔ）／∂ｘ0
また、振動板が試料を挟んでいない時の共振周波数ｆ0の式は、厚みｔと振動板の密度ρ0と振動板の粘度η0を用いて次のように表現できる。
【００１８】
ｆ0＝ω0／２＝（ρ0／η0）1/2・（ω／ｔ）
この式を用いて、試料を挟んだ場合の共振周波数ωsを、大気中での共振周波数ω0と、位相遅れΔωを用いて次式のように表現できる。
【００１９】
ωs＝ω0＋Δω
ｔａｎ（Δω／ω0）＝−（ρ0・η0・（ω0＋Δω）／（ρ0・η0））1/2
この測定方法を用いて、成型中のガラス素材の粘度を測定することが可能となる。
【００２０】
次に、Surface Loading法による粘度測定について説明する。サンプルに接触させた平板を振動させることにより試料中に横波を生じさせ、この波が平板表面から離れるにしたがって減衰する現象を利用するものである。ｘ＝０でｙ軸方向に振動する板が存在しｘ軸方向に横波が伝達する場合、任意のｘの時間ｔにおける試料のｙ方向の変位Ｕ（ｘ，ｔ）は次のように表現できる。λは波長を、ｘ0は振幅がｌ／ｅに減衰する距離を示している。
【００２１】
Ｕ＝Ｕ0・ｅｘｐ（ｉ・（ω・ｔ−２・π・ｘ／λ）−ｘ／ｘ0）
また、振幅の減衰を示す伝達係数は次のように表現できる。
【００２２】
Γ＝１・ｘ0＋２πｉ／λ
Γ＝（ρ0／η0）1/2
以上の関係を用いて、粘度測定を行うことが可能となる。
【００２３】
しかし、ガラスレンズ成型においては、室温〜８００℃の大きな温度変動、金型やガラス素材内での超音波の拡散、金型とガラス素材の界面での反射、プレスによって変化するガラス素材の厚み、によって測定精度が著しく低下するという課題がある。そのため、次のような特徴を持つ成型装置によって粘度の高精度な測定が可能となる。
【００２４】
ガラス素材の成型は、３００℃〜８００℃といった高温で行われる。一般的な有機圧電材料のキュリー点は高くても１２０℃程度であるが、無機圧電材料では３００℃〜１２００℃といった高いキュリー点を持つものが挙げられる。超音波発振素子や、超音波受信素子には、高いキュリー点を持ち成型時でも圧電特性を失いにくい無機圧電材料、例えばチタン酸ジルコニア鉛リチウムや窒化アルミニウム、を採用することが必要となる。
【００２５】
さらに、レンズ成型時の加熱による圧電特性の影響を低減するために、金型の材料と超音波発振素子もしくは超音波受信素子との間に、金型よりも熱伝導性の低い材料、例えば金型にＳｉＣやＷＣやグラッシーカーボンを使用した場合には、温度緩衝材の材料としてガリウム砒素、窒化ガリウム、サファイア、窒化ホウ素を用いることが必要であり、温度による圧電特性の変動を抑えるために、ペルチェ素子を用いた冷却機構を用いて、温度緩衝材と超音波発振素子と超音波受信素子の温度を一定に制御することで、圧電特性の温度依存性による誤差を除去することによって高精度な測定が可能になる。
【００２６】
なお、超音波発振素子から発振された超音波は、金型や温度緩衝材を伝達する間や、材料の超音波の伝達速度が変化する境界を通過するときに屈折し、拡散する。この超音波の屈折角θoutは、出射側材料の伝達速度ｖout、入射角θin、入射側材料の伝達速度ｖinによって次の式で表現される。
【００２７】
（Ｓｉｎθout）／ｖout＝（Ｓｉｎθin）／ｖin
この式より、物体内の音速が速い材料から遅い材料に超音波が伝わったとき、出射角度は入射角度より小さくなることがわかる。
【００２８】
また音波の速度ｖoutは、材料の密度ρoutの平方根に反比例し、材料の体積弾性率Ｋoutの平方根に比例の関係が有るため、次式によって表現される。
【００２９】
ｖout＝（Ｋout／ρout）1/2
この関係により、物体内の密度と体積弾性率が分かれば、超音波の伝達速度を算出することが可能となり、この値を用いて、超音波の屈折による拡散が抑えられるように境界面の形状を決定し、測定の高精度化を図る。
【００３０】
なお、金型とガラス素材の界面での反射率Ｒについては、入射側の材料密度ρout、伝達速度ｖoutとそれらの積である音響インピーダンスＺoutと、入射側の材料密度ρin、伝達速度ｖin、音響インピーダンスＺinによって次のように表現される。
【００３１】
Ｚout＝ρout・ｖout
Ｚin＝ρin・ｖin
Ｒ＝（Ｚout−Ｚin）／（Ｚin＋Ｚout）
なお、金型材料とガラス素材の組み合わせによっては、金型とガラス素材との音響インピーダンスの差が著しく大きく、金型とガラス素材の間での反射率が高い場合は、上側金型とガラス素子との界面で発生する反射波の伝達速度を下側金型の底面に設置された超音波受信素子で測定することによって、高精度な測定が可能となる。また、金型と温度緩衝材料との間でも反射が発生するため、金型と温度緩衝材料の音響インピーダンスの差が小さくなるような温度緩衝材料を選ぶことにより、金型と温度緩衝材料間での反射を抑え、測定の高精度化を図ることが可能となる。
【００３２】
なお、前記反射率の式の、分子の値が正ならば反射波の位相はそのまま、負ならば位相が反転する。このことにより、位相解析が必要な粘度の測定においては、金型とガラス素材の界面、金型と温度緩衝材料の界面による位相変化を除去することによって、高精度な解析を行うことができる。なお、発振する超音波の周波数範囲を、例えば０．２〜０．３ＭＨｚの波長帯域を持った５周期パルスとすることにより、振幅の大きな発振を安定して行うことが可能となる。また、透過超音波をフーリエ変換することによって共振周波数のシフトが明確になるとともに、周波数毎の振幅と位相も算出が可能となり、より高精度に粘度の解析を行うことが可能となる。なお、ガラスのガラス転移点から軟化点の間の粘度の範囲は４．５×１０6〜１０12.5Ｐａ・ｓとなり、このときの共振周波数は０．２〜６０ＭＨｚに相当し、これらの波長の超音波を使用することによって粘度の測定が可能になる。
【００３３】
また、ガラス素材の成型時は、ガラス素材の形状が変化し、上側金型と下側金型との距離が変化する。つまり、ガラス素材の厚みが解析の精度に大きく影響を与える。そこで、下側金型に設置された超音波発振素子によって発振した超音波の、ガラス素材と上側金型との界面で発生した反射波は、下側金型の超音波受信素子に到達するまでの伝達時間を正確に測定することによって、ガラス素材の厚みを算出し、より高精度に粘度の解析を行うことが可能となる。
【００３４】
以上の成型装置を用いて、成型時のガラス素材の粘度を測定し、ガラス転移点から軟化点の間の値になるように前記ヒータへの投入電力を制御することによって、ガラスが割れることなくかつ変形に十分な単位時間当たりの圧力を制御することによって、高精度なガラス素子成型が歩留良く作製することが可能となる。また、一般的に高温になればなるほどガラス素材と金型が反応しやすくなる。ガラス素子成型に必要最低限の温度と圧力を制御することによって、ガラス素材と金型との反応を低減した条件下で成型を行うことが可能となる。
【００３５】
次に、弾性率とその測定方法について説明する。弾性率Ｅは、試料の単位面積あたりにかけられた応力つまり圧力Ｐを、歪量σで割った値であり、次式で表現できる。
【００３６】
Ｅ＝σ／Ｐ
圧力Ｐは、応力Ｆをその応力がかかる面積Ｓで割った値であり、歪量とは試料の変形量Δ１を変形前の長さｌで割った値であるため、弾性率Ｅは次のように書き直すこともできる。
【００３７】
Ｅ＝（Δｌ／ｌ）／（Ｆ／Ｓ）
この弾性率を測定することによって、変形に必要な圧力を算出することができる。測定方法としては、被測定試料であるガラス素材に超音波による振動を与えたときの、超音波の縦波速度Ｖlと横波速度Ｖsを測定し、密度ρを用いて、下記の理論式より弾性率Ｅを算出することが可能となる。
【００３８】
Ｅ＝Ｖs2・ρ・（３Ｖl2−４Ｖs2）／（Ｖl2−Ｖs2）
超音波の縦波速度Ｖlと横波速度Ｖsについては、ガラス素材の大きさと超音波の伝達時間を測定することによって測定することが可能である。また、密度においては、常温の密度と高温時の密度が一定ではないため、熱膨張係数より算出した密度や、実際に測定した密度の温度依存性を用いて演算することによって高精度化が可能となる。なお、発振する超音波の周波数範囲を、例えば０．２〜０．３ＭＨｚの波長帯域を持った５周期パルスとすることにより、振幅の大きな発振を安定して行うことが可能となる。また、透過超音波をフーリエ変換することによって共振周波数のシフトが明確になるとともに、周波数毎の振幅と位相も算出が可能となり、より高精度に超音波伝達速度の測定を行うことが可能となる。
【００３９】
また、弾性率を測定する上でも、キュリー点が高く高温で安定した動作可能な超音波振動素子や超音波受信素子の使用、金型よりも熱伝導度が低く金型との音響インピーダンス差が小さい温度緩衝材の使用や、温度緩衝材の冷却および温度制御による超音波発振素子もしくは超音波受信素子の動作の安定化、超音波の拡散を抑える金型と温度緩衝材との界面形状、下側金型に設置した超音波発振素子と超音波受信素子を用いたガラス素材測定、を採用した成型機を使用することによって、弾性率を正確に求めることが可能となる。この結果、ガラス素子の変形に必要な圧力を算出することが可能となる。
【００４０】
以上、成型時のガラス素子の粘度、弾性率測定を取り入れた成型機において、ガラス素子の粘度・弾性率を測定し最適な温度・圧力を解析する。解析結果に基づいて、前記ヒータへの投入電力を制御し、圧力を圧力機構によって制御することによって、ガラス素子に最適な成型を再現性良く行うことが可能となるため、レンズ素子の精度や歩留りが向上する。また、一般的に高温になればなるほどガラスと金型が反応しやすくなる。ガラス成型に必要最低限の温度と圧力を制御することによって、ガラスと金型との反応を低減した条件下で成型を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００４１】
今まで金型の温度によって間接的にガラス素子の粘度や弾性率を把握し、成型条件である温度や圧力の制御を行ってきた。本発明の成型方法および成型装置は、ガラス素材成型時に金型に設置された超音波発振素子と、超音波受信素子によってガラス素材に超音波振動を与えることが可能となり、その振動振幅でガラス素材の粘度、その伝達速度で弾性率を測定することが可能となる。この結果、より高精度に温度や圧力の成型条件の制御が可能となり、高精度な光学素子を再現性良く作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明の請求項１に記載の一実施形態について図を用いて説明する。
【００４３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における成型機の概略図を示す。１はガラス素材、２は上側金型、３は下側金型、４はヒータ、５は加圧機構、６は変位計、７は超音波発振素子、８は超音波受信素子を示す。
【００４４】
ガラス素材１と上側金型２と下側金型３は、ガラス素材１の中心を通る鉛直軸上にガラス素材１を上下に挟む様に配置され、ガラス素材１と上側金型２と下側金型３とを囲うように配置されたヒータ４が設置され、ガラス素材１の中心を通る鉛直軸上に沿って上方向に加圧する加圧機構５と、下側金型３の移動量を測定する変位計６が設置されている。ヒータ４によってガラス素材１を加熱し、加圧機構５によって下側金型３に上向きの圧力を加えプレスを行い、そのときの変位を変位計６によって測定する。
【００４５】
このとき、下側金型３の底面に設置された超音波発振素子７より発振された超音波が下側金型３とガラス素材１と上側金型２を透過し、上側金型２の上面に設置された超音波受信素子８とで受信する。金型の音響インピーダンスＺMとガラス素子の音響インピーダンスＺGの関係をＺM＞ＺGとすると、超音波の反射の関係式により、下側金型３とガラス素材１の界面で位相が９０度進む。
【００４６】
この位相成分を、超音波受信素子８で受けた位相成分から差し引くことによって、ガラス素材１で起こった位相変化量を測定することが可能となる。この超音波受信素子８で受けた振幅によって、もしくは、共振周波数と位相遅れによって粘度を求める。
【００４７】
算出された、粘度が１０7Ｐａ・Ｓになるように、ヒータ４の出力を制御しガラス素材に最適な成型を行うことによって、ガラスレンズに最適な成型を再現性良く行うことが可能となるため、ガラスレンズの精度や歩留りが向上する。また、一般的に高温になればなるほどガラスレンズと金型３が反応しやすくなる。
【００４８】
本発明の請求項２、請求項９、請求項１０、請求項１１に記載の一実施形態について図を用いて説明する。
【００４９】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における成型機の概略図を示す。１はガラス素材、２は上側金型、３は下側金型、４はヒータ、５は加圧機構、６は変位計、７は超音波発振素子、８は超音波受信素子、１０は温度緩衝材、１１は液冷機構、１２はペルチェ素子を示す。
【００５０】
ガラス素材１と上側金型２と下側金型３は、ガラス素材１の中心を通る鉛直軸上にガラス素材１を上下に挟む様に配置され、ガラス素材１と上側金型２と下側金型３とを囲うように配置されそれらを加熱する電磁誘導加熱方式ヒータ１３が設置され、ガラス素材１の中心を通る鉛直軸上に沿って上下方向に移動させる加圧機構５と、下側金型３の移動量を測定する変位計６が設置されている。
【００５１】
電磁誘導加熱方式ヒータ１３によってガラス素材１周辺の金型を集中的にかつ感度良く温度調整を行い、加圧機構５によって下側金型３に上向きの圧力を加えプレスを行い、その変位を変位計６によって測定する。
【００５２】
このとき、下側金型３の底面に設置された温度緩衝材１０を介して超音波発振素子７より発振された超音波が下側金型３とガラス素材１と上側金型２を透過し、上側金型２の上面に金型がもつ熱伝導率よりも低い材料を用いて温度緩衝材１０を設置し、その温度緩衝材１０を介して超音波受信素子８で受信する。さらに、温度緩衝材１０の周りを、冷却機構１１に冷媒を循環させた冷却機構１１によって冷却し、成型時の金型加熱による超音波発振素子７および超音波受信素子８の温度上昇を防ぐ。
【００５３】
なお、冷却機構１１に、ペルチェ素子１２を用い、超音波受信素子８に設置された熱電対の温度を一定になるようにペルチェ素子の出力を制御することによって、圧電体の温度特性による誤差を除去し、高精度な測定が可能になる。次に温度緩衝材の形状について説明する。
【００５４】
音響インピーダンスＺMとガラス素子の音響インピーダンスＺGの関係をＺM＞ＺGとすると、超音波の反射の関係式により、下側金型３とガラス素材１の界面で位相が９０度進む。この位相成分を、超音波受信素子８で受けた位相成分から差し引き、位相による振幅の誤差を除去し、ガラス素材１での超音波伝播速度を縦波と横波で測定することによって、ガラス素子１の弾性率を測定することが可能となる。
【００５５】
高精度に測定された、弾性率を用いてガラスレンズの変形に必要な圧力を算出し、加圧機構５の出力を調整することによって、ガラスレンズに最適な成型を再現性良く行うことが可能となるため、ガラスレンズの精度や歩留りが向上する。また、一般的に高温になればなるほどガラスレンズと金型３が反応しやすくなる。
【００５６】
本発明の請求項３〜請求項８、請求項１２、請求項１３、請求項１４に記載の一実施形態について図を用いて説明する。
【００５７】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における成型機の概略図を示す。１はガラス素材、２は上側金型、３は下側金型、５は加圧機構、６は変位計、７は超音波発振素子、８は超音波受信素子、１０は温度緩衝材、１１は液冷機構、１２はペルチェ素子、１３は電磁誘導加熱方式ヒータを示す。
【００５８】
ガラス素材１と上側金型２と下側金型３は、ガラス素材１の中心を通る鉛直軸上にガラス素材１を上下に挟む様に配置され、ガラス素材１と上側金型２と下側金型３とを囲うように配置されそれらを加熱する電磁誘導加熱方式ヒータ１３が設置され、ガラス素材１の中心を通る鉛直軸上に沿って上下方向に移動させる加圧機構５と、下側金型３の移動量を測定する変位計６が設置されている。
【００５９】
電磁誘導加熱方式ヒータ１３によってガラス素材１周辺の金型を集中的にかつ感度良く温度調整を行い、加圧機構５によって下側金型３に上向きの圧力を加えプレスを行い、そのときの変位を変位計６によって測定する。このとき、下側金型３の底面に設置された温度緩衝材１０を介して超音波発振素子７より発振された超音波が下側金型３とガラス素材１と上側金型２を透過し、上側金型２の上面に設置された温度緩衝材１０を介して超音波受信素子８で受信する。
【００６０】
このとき、金型の音速が温度緩衝材の音速より遅い場合は図５（ｂ）もしくは、図５（ｃ）のような境界の形状となり、金型の音速が温度緩衝材の音速より速い場合は図５（ｄ）もしくは、図５（ｅ）のような境界の形状とすることによって、超音波の拡散を抑え、超音波発振素子で発信した超音波が超音波受信素子まで効率よく伝達することが可能になる。
【００６１】
さらに、温度緩衝材１０の周りを冷却機構１１によって冷却することによって、成型時の金型加熱による超音波発振素子７および超音波受信素子８の温度上昇を防ぐことが可能となる。
【００６２】
金型の音響インピーダンスＺMとガラス素子の音響インピーダンスＺGの関係をＺM＞ＺGとすると、超音波の反射の関係式により、下側金型３とガラス素材１の界面で位相が９０度進む。この位相成分を、超音波受信素子８で受けた位相成分から差し引くことによって、ガラス素材１で起こった位相変化量を測定することが可能となる。
【００６３】
なお、発振する超音波の周波数範囲を０．２〜０．３ＭＨｚの波長帯域を持った５周期パルスとし、透過超音波をフーリエ変換することによって得られる周波数毎の振幅、共振周波数と位相遅れによって粘度を求める。算出された、粘度が１０7Ｐａ・Ｓになるように、ヒータ４の出力を制御しガラス素子に最適な成型を行う。
【００６４】
また、粘度算出と同様に、下側金型３とガラス素材１の界面で発生する位相ずれを、超音波受信素子８で受けた位相成分から差し引き、位相ずれを除去した伝達時間を測定し、変位計６によって求めたガラス素子の厚みを用いてガラス素子１の超音波伝播速度を縦波と横波で測定することが可能となり、前記伝達速度と弾性率の関係式によりガラス素子１の弾性率を算出し、その値を用いてガラス素子１の変形に必要な圧力を解析し、加圧機構５の出力を制御することによってレンズ素材に最適な成型を行うことが可能となるため、ガラスレンズの精度や歩留りが向上する。
【００６５】
また、一般的に高温になればなるほどガラスと金型が反応しやすくなる。ガラスレンズの厚みを考慮することによって、ガラス素材の成型に必要最低限の温度と圧力を制御することによって、ガラスレンズと金型３との反応を低減した条件下で成型を行うことが可能となる。
【００６６】
本発明の請求項１５、請求項１６に記載の一実施形態について図を用いて説明する。
【００６７】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における成型機の概略図を示す。１はガラス素材、２は上側金型、３は下側金型、５は加圧機構、６は変位計、７は超音波発振素子、８は超音波受信素子、１０は温度緩衝材、１１は液冷機構、１２はペルチェ素子、１４はセラミックヒータ、１０は温度緩衝材、１５は成型室、１６は減圧機構を示す。
【００６８】
ガラス素材１と上側金型２と下側金型３は、ガラス素材１の中心を通る鉛直軸上にガラス素材１を上下に挟む様に配置され、ガラス素材１と上側金型２と下側金型３とを囲うように配置されそれらを加熱するセラミックヒータ１４が設置され、ガラス素材１の中心を通る鉛直軸上に沿って上下方向に移動させる加圧機構５と、下側金型３の移動量を測定する変位計６が設置されている。
【００６９】
セラミックヒータ１４によってガラス素材１周辺の金型の材料に依存せずに集中的にかつ感度良く温度調整を行い、加圧機構５によって下側金型３に上向きの圧力を加えプレスを行い、下側金型３の変位を変位計６によって測定する。このとき、下側金型３の底面に設置された金型よりも密度の小さい温度緩衝材１０を介して超音波発振素子７より発振された超音波が下側金型３とガラス素材１と上側金型２を透過し、上側金型２の上面に設置された金型よりも密度の小さい温度緩衝材１０を介して超音波受信素子８で受信する。
【００７０】
金型との界面は、金型側が円錐状もしくは紡錘状、温度緩衝材１０はそれをくりぬいた形状とし、界面での超音波の屈折を利用して拡散を低減する。さらに、成型中の成型室１５を減圧機構１６によって１０-3Ｐａまで減圧することによって、空気振動による超音波の拡散を除去できるため、金型の音響インピーダンスＺMとガラス素子の音響インピーダンスＺGの関係をＺM＞ＺGとすると、超音波の反射の関係式により、下側金型３とガラス素材１の界面で位相が９０度進む。
【００７１】
なお、発振する超音波の周波数範囲を０．２〜０．３ＭＨｚの波長帯域を持った５周期パルスとし、透過超音波をフーリエ変換することによって得られる周波数毎の振幅と位相を用いて、上側金型とガラス素材１との界面で反射した超音波の伝達時間より求めたガラス素材１の厚みを元に振幅、もしくは、共振周波数と位相遅れによって粘度を求める。算出された、粘度が１０7Ｐａ・Ｓになるように、ヒータ４の出力を制御しガラス素子に最適な成型を行う。
【００７２】
また、粘度算出と同様に、下側金型３とガラス素材１の界面で発生する位相ずれを、超音波受信素子８で受けた位相成分から差し引き、位相ずれを除去した伝達時間を測定し、上側金型とガラス素材１との界面で反射した超音波の伝達時間より求めたガラス素材１の厚みを用いてガラス素子１の超音波伝播速度を縦波と横波で測定することが可能となり、前記伝達速度と弾性率の関係式によりガラス素材１の弾性率を算出し、その値を用いてガラス素子の変形に必要な圧力を算出し、加圧機構５の出力を調整し成型を行うことによって、ガラス素材１に最適な成型を再現性良く行うことが可能となるため、ガラスレンズの精度や歩留りが向上する。
【００７３】
また、一般的に高温の酸素雰囲気化では、ガラスレンズと金型が反応しやすくなる。ガラス素材１の厚みを考慮し、ガラスレンズの成型に必要最低限の温度と圧力を制御することによって、ガラスレンズと金型３との反応を低減した条件下で成型を行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、金型を用いた熱プレス成型によるガラスレンズ作製方法において、ガラスレンズの粘度・弾性率を用いて成型条件であるヒータ出力量、金型の加圧量を制御することによって、高精度な光学素子を再現性良く作製する。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施の形態１における成型機の要部概略図
【図２】本発明の実施の形態２における成型機の要部概略図
【図３】本発明の実施の形態３における成型機の要部概略図
【図４】本発明の実施の形態４における成型機の概略図
【図５】本発明の金型と温度緩衝材の界面形状を示す断面図
【符号の説明】
【００７６】
１  ガラス素材
２  上側金型
３  下側金型
４  ヒータ
５  加圧機構
６  変位計
７  超音波発振素子
８  超音波受信素子
９  超音波発振素子
１０  温度緩衝材
１１  液冷機構
１２  ペルチェ素子
１３  電磁誘導加熱方式ヒータ
１４  セラミックヒータ
１５  成型室
１６  減圧機構
【図１】
2008115043.tif 000003
【図２】
2008115043.tif 000004
【図３】
2008115043.tif 000005
【図４】
2008115043.tif 000006
【図５】
2008115043.tif 000007