(57)【要約】【課題】ガラス製光学素子を製造するに経済的に有利なモールド成形を行うに当り、金型のセット作業が容易であり、かつ、芯出しやバリ取りといった後処理も不要となるよう、改善された成形型を実現させる。【解決手段】筒状の胴型６と、この胴型６にスライド自在に内嵌される一対の押し型７，８とを有し、前記胴型６に内嵌された状態における一対の前記押し型７，８どうしの強制相対接近移動により、所定の温度に加熱された状態で両前記押し型７，８間に配置されたガラス素材をプレス成形してガラス製光学素子を形成するように構成するとともに、前記胴型６の材質の熱膨張係数よりも前記押し型７，８の材質の熱膨張係数を大に設定してあるガラス製光学素子用成形型。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の胴型と、この胴型にスライド自在に内嵌される一対の押し型とを有し、前記胴型に内嵌された状態における一対の前記押し型どうしの強制相対接近移動により、所定の温度に加熱された状態で両前記押し型間に配置されたガラス素材をプレス成形してガラス製光学素子を形成するように構成するとともに、前記胴型の材質の熱膨張係数よりも前記押し型の材質の熱膨張係数を大に設定してあるガラス製光学素子用成形型。
【請求項２】
前記胴型の材質をＳｉＣに、かつ、前記押し型の材質を超硬合金に夫々設定してある請求項１に記載のガラス製光学素子用成形型。
【請求項３】
直径１０ｍｍ程度の前記ガラス製光学素子を形成する場合に、前記胴型と前記押し型との隙間ｄを、次式Ｚの如く設定してある請求項２に記載のガラス製光学素子用成形型。
式Ｚ：０．０１１ｍｍ≦ｄ≦０．０２３ｍｍ
【請求項４】
筒状の胴型と、この胴型にスライド自在に内嵌される一対の押し型と、前記胴型に内嵌された状態における一対の前記押し型どうしを強制的に相対接近移動自在な駆動機構と、前記胴型に内嵌された状態における一対の前記押し型間に配置されたガラス素材を加熱自在な加熱手段とを有するとともに、前記胴型の材質の熱膨張係数よりも前記押し型の材質の熱膨張係数を大に設定してあるガラス製光学素子用加工機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＤドライブ、レーザ機器、カメラ、顕微鏡、望遠鏡、光ファイバー用機器等に用いられるレンズ、プリズムといったガラス製光学素子用成形型及びガラス製光学素子用加工機に係り、詳しくは、ワンモールド成形するための成形型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガラスレンズは、レンズ母材を研削する工程や、磨き工程等を有した複数工程による加工方法を用いて製作されてきたが、近年の光学素子の発達からレンズの使用量が増えてきており、それに対応すべく、量産性に優れるモールディングによってレンズ成形を行う製造方法に変わりつつある。
【０００３】
例えば、ガラスレンズのモールド成形は、縦断面が凸状の円柱形状を為す下押し型と、縦断面が逆凸状の円柱形状を為す上押し型と、これら上下の押し型における径の小さい本体型部分どうしに亘って外嵌自在な筒状の胴型とから成る成形型を用いるのが一般的である。すなわち、上下の押し型の間に成形ガラスを入れておき、型を高温に昇温することで成形ガラスを軟化させながら上下の押し型を互いに接近移動させることにより、短時間で効率的に所定形状にプレス形成する製法である。このようなモールド成形としては、特許文献１において示されたものが知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２２０２３９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
低コストで生産できる利点のあるモールド成形において、精度の高いレンズを作るには、上下の押し型と胴型との３つの型を用いて行うモールド成形では、上押し型と胴型、及び下押し型と胴型の嵌め合い隙間を如何に小さくするかがポイントである。すなわち、隙間を小さくすれば、レンズの光軸同芯度は向上し、芯出しのための後加工（研削加工）等が不要になる利点はあるが、金型どうしを嵌め合うセット作業は困難になるとともに、ガラス軟化点付近の高温下で成形（ほっとプレス）するに際しては、金型どうしの接触で傷を生じたり、噛み込んだり、或いは型の材質がＳｉＣ（シリコンカーバイト）の様な脆性材の場合には、欠けを生じるといった不都合のおそれもある。
【０００６】
そこで、前述の嵌め合い隙間を大きくすると、金型どうしのセット作業、及び成形自体は容易になるが、成形されたレンズの精度（光軸のズレ）は芳しくないとともにバリが生じ易くなり、芯出しやバリ取りのための後加工が必要になる。つまり、いずれの手段を採っても一長一短があるため、現状では成形品の種類や目的を勘案して隙間の大小を設定する他なく、モールド成形には改善の余地が残されているものであった。
【０００７】
本発明の目的は、ガラス製光学素子を製造するに経済的に有利なモールド成形を行うに当り、金型のセット作業が容易であり、かつ、芯出しやバリ取りといった後処理も不要となるよう、改善された成形型を実現させる点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の構成は、ガラス製光学素子用成形型において、筒状の胴型と、この胴型にスライド自在に内嵌される一対の押し型とを有し、胴型に内嵌された状態における一対の押し型どうしの強制相対接近移動により、所定の温度に加熱された状態で両押し型間に介装されたガラス素材をプレス成形してガラス製光学素子を形成するように構成するとともに、胴型の材質の熱膨張係数よりも押し型の材質の熱膨張係数を大に設定してあることを特徴とする。
【０００９】
成形型の温度は、胴型に押し型を嵌め入れる金型の嵌合セット操作時は低く、加熱昇温しての成形時は高くなるが、請求項１の構成によれば、胴型の材質の熱膨張係数よりも押し型の材質の熱膨張係数を大に設定してあるから、比較的温度の低い成形型の嵌合セット操作時には胴型と押し型との隙間を大きめとして、型どうしが強く擦れ合うとか、型の角が当って欠けが出るといった不都合なく、円滑で簡単に成形型の組付けができるようになる。
【００１０】
そして、ガラス素材をプレス成形すべく加熱されて比較的高温となる成形時には、外側に配置される胴型よりも、胴型に内嵌されている内側の押し型の方が大きく膨張するので、胴型と押し型との隙間が、型の嵌合セット時よりも小さくなり、軟化状態のガラス素材がプレス成形による圧力で胴型と押し型との間に入り込む現象が、従来に比べて起り難く、或いは起きないようにすることができる。これにより、バリや光軸の芯ズレが抑制又は解消して、バリ取りや光軸調整等の後加工を軽減又は不要にするといった利点を得ることも可能である。
【００１１】
請求項２の構成のように、胴型の材質を熱膨張係数の小さいＳｉＣ（シリコンカーバイト）に、かつ、押し型の材質を熱膨張係数の大きいＷＣ（タングステンカーバイト）等の超硬合金に夫々設定すれば、型材として一般的で入手し易い量産に適したものとしながら、請求項１の構成による作用効果を奏することができる。
【００１２】
さらに、請求項３の構成のように、直径１０ｍｍ程度の前記ガラス製光学素子を形成する場合に、胴型と押し型との隙間ｄを、０．０１１ｍｍ≦ｄ≦０．０２３ｍｍに設定すれば、詳しくは、実施形態の項において説明するが、請求項２の構成による作用効果をより確実に享受し得るようになる。
【００１３】
請求項４の構成は、ガラス製光学素子用加工機において、筒状の胴型と、この胴型にスライド自在に内嵌される一対の押し型と、胴型に内嵌された状態における一対の押し型どうしを強制的に相対接近移動自在な駆動機構と、胴型に内嵌された状態における一対の押し型間に配置されたガラス素材を加熱自在な加熱手段とを有するとともに、胴型の材質の熱膨張係数よりも押し型の材質の熱膨張係数を大に設定してあることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４の構成によれば、請求項１の構成によって規定されるガラス製光学素子用成形型を用いた加工機が構成されるものであり、胴型に押し型を嵌め入れる金型の嵌合セット操作時は低く、加熱昇温しての成形時は高くなるが、請求項１の構成によれば、胴型の材質の熱膨張係数よりも押し型の材質の熱膨張係数を大に設定してあるから、比較的温度の低い成形型の嵌合セット操作時には胴型と押し型との隙間を大きめとして、型どうしが強く擦れ合うとか、型の角が当って欠けが出るといった不都合なく、円滑で簡単に成形型の組付けができるようになる。
【００１５】
そして、加熱されて比較的高温となる成形時には、外側に配置される胴型よりも、胴型に内嵌されている内側の押し型の方が大きく膨張するので、胴型と押し型との隙間が、型の嵌合セット時よりも小さくなる。故に、加圧された軟化状態のガラス素材が胴型と押し型との間に入り込む現象が、従来に比べて起こり難く或いは生じないようにすることができ、バリや光軸の芯ズレが抑制又は解消されて、バリ取りや光軸調整等の後加工が軽減又は不要となるようにしながら、光軸精度が大きく向上する等、ガラス製光学素子用加工機によって作成されるガラス製光学素子の性能アップを図ることができた。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
【実施例】
図１にガラス製光学素子用加工機の一例であるガラスレンズ加工機Ａが、図２にその加工機Ａに用いられる成形型Ｓのモデル図が夫々示されている。ガラスレンズ成形装置Ａは、枠体１の上段床２に成形型Ｓを配備し、下段床３に型駆動機構４を配備するとともに、成形型Ｓの温度制御や型駆動機構４の駆動制御を司る制御装置５を備えて構成されている。
【００１８】
成形型Ｓは、中空筒状の胴型６と、この胴型６に上下スライド自在に内嵌される上押し型７と、同じく胴型６に上下スライド自在に内嵌される下押し型８とから構成されている。上押し型７は、枠体１の上部壁９に吊設固定自在に装備されており、下押し型８を型駆動機構４によって駆動昇降するよう構成するとともに、温度調節のための赤外線ランプ（加熱手段の一例）１０を胴型６に内装してある。
【００１９】
型駆動機構４は、駆動源としてＡＣサーボモータ１１を有するとともに、駆動上下移動自在な出力台４ａに、ロードセル１２を介して下押し型７を載置支持してある。上下の各押し型７，８の夫々には、ガラスレンズの成形を安定的に行える雰囲気を得るための窒素ガス（不活性ガス）の導入路１３が形成されるとともに、下押し型８には、胴型６の内周壁であるチャンバ１４内を真空化するための排気路１５も形成されている。
【００２０】
この加工機Ａには（この成形型Ｓには）、図３に示すように、径が９．７ｍｍで高さが６．６ｍｍの側面視で楕円形を呈する粒状のガラス素材（プリフォーム）１６を用する。このガラス素材１６の特性は、Ｌ−ＬＡＭ６９、Ｔｇ＝４９７℃である。このガラス素材１６を図１に示す成形装置Ａで成形することにより、直径１０ｍｍの凸レンズ（ガラス製光学素子）を形成することができる。
【００２１】
加工機Ａによる成形動作としては、まず、ガラス素材１６が上下の押し型７，８間に配置されるように各型６〜８を組み込みセットし、その後、図示しない排気装置、及び排気路１５を用いてチャンバ１４内を真空化する。それから、赤外線ランプ１０を点灯することによって成形型Ｓを所定の高温度に加熱し、その後に上下の導入路１３から窒素ガスを、チャンバ１４内にて大気圧になるまで導入し、ＡＣサーボモータ１１の駆動で下押し型８を上昇移動させて所定圧力まで加圧し、５分間保持した後冷却して成形体を取り出す、というものである。
【００２２】
加工機Ａの具体的な主要緒元は、成形型Ｓの温度５００℃、プレス圧力１０Ｍｐａで成形し、５分間その状態を維持した後、冷却するというものである。また、胴型７の材料はＳｉＣ焼結体で、上下の押し型は超硬合金であるＷＣ（タングステンカーバイト）で夫々作成されている。ＳｉＣ焼結体は、純度９９％のもので密度３．１７グラム／立方センチメートル（ｇ／ｃｍ３）、熱膨張係数は６００℃まで平均４／１００００００℃（４／百万℃）であり、一方、ＷＣの熱膨張係数は６００℃まで平均６／１００００００℃（６／百万℃）である。
【００２３】
上述した条件の加工機Ａ及びガラス素材１６を用いてガラスレンズを成形するにあたり、胴型６と上下押し型７，８との嵌め合い公差を種々に変更設定した場合の型セットの容易性、及び成形品状況（バリ発生の有無）をまとめた一覧表を図５に示す。図５において、Ｄ１は常温における押し型７，８の外径、Ｄ２は常温における胴型６の内径、Ｄ３は５００℃における押し型７，８の外径、Ｄ４は５００℃における胴型６の内径であり、胴型６の材質であるＳｉＣの熱膨張係数を、２５〜６００℃の範囲では３．８〜４．２／１００００００℃（３．８〜４．２／百万℃）に、押し型７，８の材質であるＷＣの熱膨張係数を、２５〜６００℃の範囲では５．８〜６．２／１００００００℃（５．８〜６．２／百万℃）に夫々設定してある。
【００２４】
成形によってバリが生じる概念図を図４に示してある。高温となる型成形時において押し型７，８の外径と胴型６の内径との隙間が大きいと、その隙間にガラス素材が入り込んでしまい、それがバリとなってしまうのであり、その隙間が充分に小さければガラス素材は入り込むことができず、バリの無い良好なガラスレンズを作成することができる。
【００２５】
加工機Ａによる型成形によって得られたガラスレンズを形状観察した結果、胴型６と押し型７，８とが同材質である場合は、常温時隙間ｄ（Ｄ２−Ｄ１）が１０μｍ程度で型どうしを嵌合セットする組付けがきつくなり、特に材質がＳｉＣどうしの場合では、押し型７，８のエッジが欠け易く、組付けのためには２０μｍ程度の常温時隙間ｄが必要であることが判明した。また、隙間ｄが９μｍ程度の場合でも、ガラス成形体にバリが発生しており、バリを無くすためにはさらに隙間ｄを小さくする必要が伺える。
【００２６】
一方、胴型６の材質をＳｉＣ、かつ、押し型７，８の材質をＷＣとした場合には、常温時隙間ｄ（Ｄ２−Ｄ１）が１４μｍ程度では、５００℃成形時における成形時隙間ｋ（Ｄ４−Ｄ３）は１４μｍよりも小さくなって、ガラス成形体のバリは僅かに認められる程度に減少した。さらに、常温時隙間ｄ（Ｄ２−Ｄ１）が１１μｍ程度の場合は、成形後におけるバリは殆ど認められない状態が得られ、成形時隙間ｋ（Ｄ４−Ｄ３）は推定で２μｍに近い値にあると推察できた。
【００２７】
図５に示すような種々の実験結果から、直径１０ｍｍ程度のレンズ（ガラス製光学素子）を形成する場合、常温時隙間ｄ（Ｄ２−Ｄ１）及び成形時隙間ｋ（Ｄ４−Ｄ３）は、
Ｚ：  ０．０１１ｍｍ≦ｄ（Ｄ２−Ｄ１）≦０．０２３ｍｍ
Ｙ：  ０．００２ｍｍ≦ｋ（Ｄ４−Ｄ３）≦０．０１４ｍｍ
という範囲に設定するのが良い。
【００２８】
より好ましくは、
Ｘ：  ０．０１１ｍｍ＜ｄ（Ｄ２−Ｄ１）＜０．０２３ｍｍ
Ｗ：  ０．００２ｍｍ＜ｋ（Ｄ４−Ｄ３）＜０．０１４ｍｍ
という範囲に設定するのが良い。
【００２９】
すなわち、生産性に優れて低コストでガラスレンズが製作できるモールド成形を、金型の嵌合セット操作が不都合無く簡単に行えるようにしながら、高温となる成形時には胴型６と押し型７，８との隙間を殆ど０（ゼロ）に近づけることが可能となり、バリが無く、かつ、レンズとしての光軸精度も飛躍的に向上させることができる。逆に言うと、常温等の低温となる型セット時における隙間ｄを前式Ｚ（又は前式Ｘ）を満たすように設定すると、高温となる成形時の隙間ｋが前式Ｙ（又は前式Ｗ）を満たすような熱膨張係数を持つ材質を、胴型や押し型の材質に設定すれば良い。
【００３０】
つまり、押し型７，８の材質に超硬合金（ＷＣ）を用いたことにより、ＳｉＣ材質の場合より、欠けの発生が少なくなり、超硬合金（ＷＣ）の強靭性を活かすことができることも実証できた。胴型６の材質であるＳｉＣは、ＷＣに比べて比重が１／５と小さく、型重量が軽くなるため、型の熱容量が小さく、従って成形温度までの昇温が速いとともに、熱伝導度が２〜３倍と大きいので、金型の灼熱も速く、省エネルギーとなる利点もある。
【００３１】
〔別実施形態〕
胴型６と押し型７，８との嵌合部の形状は、円形の他、三角形や四角形、多角形等も可能である。また、成形用空間として奥止まり状の穴部を有した胴型と、その穴部に内嵌自在な凸状の押し型との２個の金型で成る成形型（図示省略）にも、本発明を適用可能である。また、図５において、直径１０ｍｍ程度のガラス製光学素子を形成する場合を示したが、直径１０ｍｍ以外のガラス製光学素子を形成する場合にも、本発明を適用可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるガラス製光学素子用成形型、及びこれを用いたガラス製光学素子用加工機は、筒状の胴型と、この胴型にスライド自在に内嵌される一対の押し型とを有し、胴型に内嵌された状態における一対の押し型どうしの強制相対接近移動により、所定の温度に加熱された状態で両押し型間に配置されたガラス素材をプレス成形してガラス製光学素子を形成するように構成するとともに、胴型の材質の熱膨張係数よりも押し型の材質の熱膨張係数を大に設定したものである。
【００３３】
これにより、熱膨張係数の大きい押し型と、熱膨張係数の小さい胴型を用いることにより、型をセットする常温下では、胴型と押し型との隙間が十分大きく、金型のセット作業を不都合なく容易に行えるとともに、成形時はガラス軟化点付近の高温下であるため、胴型の膨張量よりも押し型の膨張量の方が大きくなり、胴型と押し型との隙間（径方向の間隙）を極力ゼロに近づけることができる。その結果、経済的でローコストに成形できるモールド成形でありながら、バリが生ぜず、レンズの光軸精度を飛躍的に向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ガラスレンズ加工機の概略構造を示す全体側面図
【図２】図２は、成形型の構造を示すモデル図
【図３】図３は、成形用ガラス素材を示す側面図
【図４】図４は、ガラスレンズのバリを示す模式図
【図５】図５は、レンズ成形型の各種緒元表を示す図
【符号の説明】
４              駆動機構
６              胴型
７，８          押し型
ｄ              隙間
【図１】
2004217459.tif 000003
【図２】
2004217459.tif 000004
【図３】
2004217459.tif 000005
【図４】
2004217459.tif 000006
【図５】
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