(57)【要約】【課題】熱間押圧成形による耐熱温度の高いガラス成型用型の全表面を規制した成形では、高温度、大きな圧力、長時間を必要とし、成形された成型用型のトータル精度は必ずしも高精度が得られていない。【解決手段】光学素子として必要な光学機能面を成形する成形面とその対向面を除いて規制せずにガラス成形型基材を成形し、これにより実質的な温度と圧力を低下させた状態でガラス成形型基材の成形が可能となり、そしてその成形型基材の成形面を基準に芯取り加工を施してトータル精度の高いガラス成形用型を得る。【選択図】図１
2005097009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子の形状と同形状若しくは近似形状の第一の型成形面を有する第一の成形母型と、該第一の成形母型に対向させた平面状の第二の型成形面を有する第二の成形母型と、ガラス材料を用い、該ガラス材料の軟化点近傍で前記第一および第二の型成形面を前記ガラス材料に押圧転写させてガラス成形型基材を成形するにあたり、前記第一および第二の型成形面に接触する以外のガラス材料の表面が規制されない自由面の状態で成形し、前記第二の型成形面により転写された面に曲面を形成し、前記曲面と第一の型成形面により転写された面とによって芯出し調整し、該ガラス成形型基材の前記第一の型成形面による転写面を基準にして該ガラス成形型基材を円筒状に加工することを特徴とするガラス成型用型の製造方法。
【請求項２】
第二の成形母型の型成形面に、ベルクランプで芯出しして芯取り加工する際のＺ値が０．１以上になるような凹または凸形状の曲面を設けた成形母型を用いて成形することを特徴とする請求項１に記載のガラス成型用型の製造方法。
【請求項３】
一対のガラス成形用型の間に光学素子の成形材料を配置し、前記成形用型と成形材料とを加熱押圧して光学素子を成形する光学素子の製造方法であって、所望の転写用光学機能面を有する成形母型を作製する第１の工程と、前記成形母型の転写用光学機能面によりガラス材料を加熱押圧し、その転写用光学機能面以外のガラス材料の表面が規制されない自由面の状態で成形型基材を作製する第２の工程と、前記成形母型の転写用光学機能面により転写された成形型基材の転写面以外の自由面をその転写面に対して垂直となる円筒面に形成してガラス成形用型を作製する第３の工程と、前記ガラス成形用型の転写面に該ガラス成形用型により成形する光学素子との融着防止膜を成膜する第４の工程と、前記ガラス成形用型を用いて光学素子の成形材料を加熱押圧し、光学素子を成形することを特徴とする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、レンズやプリズムなどの光学素子を成形するガラス成形用型の製造方法および光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にレンズやプリズムといった光学素子を得るためには、一対の成形型間に光学素子の成形材料を配置し、成形型と成形材料とを加熱し、成形材料を押圧して成形する方法が行われている。
【０００３】
このような成形方法に用いられる成形型は、例えば特許文献１に記載されているように、光学素子の光学機能面に相当する箇所（以下、型成形面と呼ぶ）の超精密成形と併せて、型成形面以外の部分の面も高剛性の超精密旋盤を用いて研削または切削などの機械により加工される。そして、型成形面の形状精度が得られないと成形型として満足に機能しないことはもちろんのこと、たとえ型成形面の形状精度が満足に得られたとしてもそれ以外の面の加工精度が低いと成型型としての製造歩留まりが悪くなってしまう。そしてこのことは、型成形面の形状が非球面であっても球面であっても同様である。それは、光学素子の最終性能が型成形面の形状精度のみで決定されるものではなく、例えば成型型にて成形されたレンズにおいてはその光学機能面の形状精度の他に、その光学機能面の傾き、および光学機能面間の軸ずれがトータル性能を決定することになるからである。
【０００４】
従って、型成形面の加工に際して、加工基準をどこにするかによって成形型としてのトータル性能が決定される。
【０００５】
一方、光学素子成形型を安価に、かつ大量に製造することができる方法として、型成形面が所望形状に得られるようにした成形母型を作製し、この成形母型によりガラス材料を熱間にて押圧成形し、この押圧成形で得られたガラス成形用型を用いることが提案されている。この方法によれば型成形面のみならず、成形用型として光学素子を成形する際に胴型に対して摺動する外径部や、型成形面とは反対側で押圧力が作用する平面部など、成形用型そのものを後加工を必要とせずに形成することができるが、高い精度が要求される成形用型としての精度については必ずしも充分であるとはいえない。
【０００６】
上記した機械加工による研削や切削などの方法および成形母型により熱間押圧にて成形用型を成形する方法の何れにおいても、光学素子のトータル性能を決定づける成形用型としては、それ以上のトータル精度を必要とする。即ち、型成形面の形状精度は勿論のこと、型成形面に直交する胴型との摺動外径部や、型成形面の反対側の押圧作用面（胴型との摺動外径部に対する直角面）のそれぞれが高い精度の関係をもって形成される必要がある。
【特許文献１】特開昭６４−３３０２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の熱間にて成形母型に押圧成形してガラス成形用型を作製するにあたり、そのガラス成形用型のガラス材料は、そのガラス成形用型にて成形される光学素子材料にガラスを選択した場合、必然的に光学素子用のガラス材料よりも高い熱特性を必要とし、そのために高温下でもって極めて精度の高い精密な成形が必要となる。このため以下の課題を解決しなければならない。
１．精度の高いガラス成形用型を成形するためには高い温度と大きな押圧力を必要とし、また成形時間も長くなる。
２．成形母型や成形装置に対する熱的歪みや、酸化などの化学的な負担が大きくなり、成形装置の精度低下や成形母型の寿命低下に繋がる。
３．成形装置の熱的歪みにより、成形されたガラス成形用型の精度低下を招く。
【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、本発明は、ガラス成形用型の製造にあたり、そのガラス材料に型成形面を転写させる工程では、胴型との摺動外径部は規制しないようにすることで、成形温度と押圧力を低く抑え、成形時間を短縮するようにしたものである。そして前記のようにして型成形面が先に形成されたガラス成形型基材の型成形面を基準にして芯取り加工を行うようにしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の製造方法によれば、(1)成形母型からの型成形面の転写時には摺動外径部を転写成形しないようにしたことにより、ガラス材料の溶融温度を低く設定でき、成形時間の短縮による生産性の向上のみならず、成形装置の熱的歪みや、成形母型の酸化を抑制でき、これらの長寿命化が図れる。(2)成形母型から転写成形された型成形面を基準として芯取り加工をすることにより、ガラス成形用型としてトータル精度が向上し、品質の安定化が図れる。これにより、光学素子を安価に市場に供給することができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態例について、図１から図６を用いて説明する。
【００１１】
まず、図１は光学素子成形用のガラス成形型基材を成形する成形装置の概略構成図であり、ガラス材料の加熱押圧成形が完了した状態を示している。成形装置Ａは、上成形母型１、下成形母型２、胴型３、ヒータ４ａを埋設した上加熱板５、ヒータ４ｂを埋設した下加熱板６からなる。上成形母型１は下端面に後に成形しようとする光学素子の光学機能面と同形状若しくは近似形状からなる凸形状の非球面とその周囲に連接する平面部を有する型成形面７を備えた円柱部１ａとフランジ部１ｂから構成している。また、下成形母型２は上端面に平面状の型成形面８が形成された円柱部２ａとフランジ部２ｂで構成されている。
【００１２】
上記上成形母型１と下成形母型２のそれぞれの円柱部１ａと２ａは胴型３と精密に嵌合し、上成形母型１は精密嵌合状態で上下に摺動する。そして上成形母型１のフランジ部１ｂは上加熱板５に、また下成形母型２のフランジ部２ｂは下加熱板６に接触し、ヒータ４ａ、４ｂによって成形装置Ａ全体が加熱される。上加熱板５は図示しないプレス機構に接続され、図中にＰで示す所望の押圧力により上成形母型１が下方に摺動し、その上成形母型１と下成形母型２との間に投入されたガラス材料９に押圧力が印加される。
【００１３】
これにより、ガラス材料９の上下端には上成形母型１の型成形面７と下成形母型２の型成形面８が転写される。
【００１４】
ここで、ガラス材料９は図示のように、押圧変形中においても、また成形完了状態においても胴型３の内壁には接触しないような形状（例えば円柱状）と体積管理をしている。
【００１５】
なお、上記ガラス材料９の加熱温度を７７０℃、押圧力は３００Ｎで変形させた後、図示の状態で全体を室温付近まで冷却し、上下の成形母型を分解してガラス材料９を取り出した。ガラス材料９には硼珪酸バリュームを主成分とする屈伏温度７２４℃、ガラス転移温度６７９℃、膨張係数５５．６×１０-7／℃のものを用いた。
【００１６】
また、上下の成形母型１、２および胴型３はタングステンカーバイトを主成分とする超硬合金を用い、型成形面７は超精密旋盤により研削研磨して所望形状に対して±０．１マイクロメーター以内に、一方型成形面８はラップ盤を用いてλ／８の平面度に鏡面加工した。型成形面７、８の各表面には成形型となるガラス材料９との融着防止のために白金系の金属膜をスパッタリング法を用いて０．５マイクロメーターの膜厚に成膜した。
【００１７】
図２（Ａ）は上記のようにして成形され、取り出された光学素子成形用のガラス成形型基材１０を示し、上端には型成形面７の反対形状７′が、下端には型成形面８の反対形状８′がそれぞれガラス材料の収縮分を除いて極めて近似した形状に精密転写されている。ガラス材料、成形母型、成形温度、成形圧力条件などを制御したり、また反対形状の形状計測データを成形母型に盛り込んで加工することで、さらにガラス成形型基材１０としての精度を高めることができる。なお、ガラス成形型基材１０の外観形状は外周が樽状を成した自由曲面となっており、胴型３の内壁に接触していないことが確認された。
【００１８】
図２（Ｂ）は比較のため、ガラス材料９の体積を上記の成形体積よりも多くし、胴型３の内壁にガラス材料９を軟化接触させて周側面を規制した成形によって得られたガラス成形型比較基材１１を示している。この成形方法によると、ガラス成形型比較基材１１の上端には型成形面７の反対形状７′が、また下端には型成形面８の反対形状８′が転写され、外周には胴型３の内壁が転写された外周形３′が形成されている。
【００１９】
しかしながら、この形状を得るためにはガラス材料全体を軟化させる必要があることから、成形温度は上記と同じ７７０℃で、押圧力は３倍の９００Ｎ、所要時間は上記のガラス成形型基材１０の成形所要時間に較べて約２．５倍必要であった。そしてこのガラス成形型比較基材１１を透過偏芯測定器で評価したところ、６分の偏芯量が確認された。
【００２０】
上記の比較により、ガラス成形型基材１０の成形方法は、胴型３の内壁により外周形３′をも形成する成形方法に対して押圧成形温度を実質的に低下させたことと同じであり、したがって成形に要する時間が短縮され、生産性を著しく向上させることができるものである。
【００２１】
図３は、上記のようにして成形されたガラス成形型基材１０を球面研磨レンズの芯取り加工法を用いて芯取り加工を行う概略構成図である。
【００２２】
この芯取り加工法については、昭和５９年９月２０日、光学工業技術協会より第一版が発行された「光学部品加工用語」を参照されたい。この加工法は同芯軸で対向するホルダの間にレンズを挟み、すべり落ち着かせて保持する機械的芯出し（ベルクランプ）によって保持されたレンズを回転させ、その外周を砥石を用いて機械加工する方法である。芯取り加工にあたってはＺ値を参考に行われる。このＺ値はレンズのふくらみ具合を表す数値で、ベルクランプによる芯取りの可否を決める目安とされ、Ｚ＝１／２｜ｒ１／Ｒ１±ｒ２／Ｒ２｜で表される。ここに、ｒ１、ｒ２はホルダの半径、Ｒ１、Ｒ２はレンズの曲率半径である。符号は両凸レンズ、両凹レンズは（＋）、メニスカスレンズは（−）をとる。通常、Ｚ値が０．１以上を示す場合には容易に芯取り加工が可能とされている。
【００２３】
上記した芯取り加工法によりガラス成形型基材１０の反対形状８′側に曲率半径２０ｍｍの凹面１２を研磨加工し、その箇所に半径４ｍｍのホルダ１３を、また反対形状７′の非球面のベース曲率半径５．５５ｍｍの箇所には半径３ｍｍのホルダ１４を配置してこのガラス成形型基材１０をベルクランプ軸１５上に固定する。本実施の形態例ではレンズに相当するガラス成形型基材１０はメニスカスレンズ形状を成しており、目安となるＺ値は０．３７であり、したがって芯取り加工が容易であることが判る。そしてベルクランプ軸１５を図中矢印方向に回転させ、別途砥石軸１６に取り付けたダイヤモンド砥石１７を図中矢印のように高速回転させ、ガラス成形型基材１０の樽状外周部をクランプ軸１５と平行になるように芯取り加工を施す。
【００２４】
なお、本実施の形態例では下成形母型２の型成形面８を平面としたが、ここに半径２０ｍｍの凸面を形成し、ガラス成形型基材１０の成形と共に凹面１２が形成されるようにしても同様であり、もちろんこの場合、その成形面はベルクランプで芯出しして芯取り加工する際のＺ値が０．１以上になるような凹面であることが望ましく、またこれは凸形状面であってもよい。いずれにおいても芯取り加工においてＺ値が大きく、より精度の高い芯取り加工ができるように任意に選択すればよいものである。また、ベルクランプによる芯出しの他に光学的に芯出しを行う方法でもよく、ガラス成形型基材１０の形状に応じて高い精度が得られる方法を選択すればよい。
【００２５】
図４は芯取り加工によって摺動外径部１８′を有したガラス成形用型１８を示しており、上記の凹面１２は芯取り加工した外周と直角に平面加工している。これを透過偏芯測定器で評価したところ、偏芯量は１．５分であった。
【００２６】
なお、上記のようにしてガラス成形型基材１０から加工されたガラス成形用型１８の外径寸法は光学素子を成形する際の胴型の内径寸法と精度良く嵌合するように摺動可能な寸法に仕上げている。
【００２７】
上記ガラス成形型基材１０およびガラス成形用型１８は透光性を有し、両端面に曲面と平面、またその間に非曲面を備えた、いわば光学部品であるといえる。したがって、透光性を活かした透過偏芯測定により偏芯精度を光学的に確認することができる。この測定方法は一般的には芯取り加工した外周を基準にしてレンズ（本実施の形態例の場合、例えばガラス成形用型１８）を回転させ、透過像の揺れを顕微鏡で確認する方法である。
【００２８】
その後、ガラス成形用型１８の非球面である反対形状７′の表面に光学素子となるガラス材料との融着防止のために保護膜を形成した。この保護膜は金属と金属酸化物との化合物中間層を設け、最表面には白金系の金属膜を成膜した。なお、ガラス成形用型１８は外径（Ｄ）を６．４ｍｍ、長さ（Ｌ）を９ｍｍとし、Ｌ／Ｄ＝１．４とした。その理由は、光学素子の成形時に成形用型１８を可動側に配置し、胴型との嵌合長を大きくして成形用型１８の傾きを抑制しようとするからである。
【００２９】
ここで、図２（Ａ）、（Ｂ）は上下の成形母型１、２と胴型３との嵌合が同じ状態において、透過偏芯精度に違いが発生した理由について考察すると、図２（Ｂ）のガラス成形型比較基材１１の場合、胴型３の内壁により外周形３′が規制されたために押圧力の反力はプレス機構側に作用し、これにより上成形母型１と胴型３との嵌合長さとクリアランスの寸法公差の範囲内で上成形母型１が傾いたものと考えられる。即ち反対形状７′と外周形３′との直角度にずれが生じている。これに対して反対形状８′と外周形３′との直交性が狂っているならば修正は比較的簡単である。一方、図２（Ａ）では外周形が規制されないため、上向きの反力が少なくプレス機構の変形範囲内で成形できたものと考えられる。また成形作業に支障がなければ、光学素子として必要な光学機能面の形状を有する成形母型を固定側（本実施の形態例では下側）にする方がより望ましい。
【００３０】
図５は、上記のようにして製造されたガラス成形用型１８を用いて光学素子を成形する成形装置の概略構成図である。この図５において、図１の成形装置と同一構成部分には同一符号が附してあり、上型にガラス成形用型１８を用い、また下型１９は平面上に前記ガラス成形用型１８と同様の保護膜を形成した円柱状のものを別途準備し、これらの成形用型を胴型２０内に精密に嵌合しかつ摺動するようにした。なお、胴型２０をタングステンカーバイドを主成分とする超硬合金で製作した。
【００３１】
光学素子を形成するガラス材料２１は硼珪酸バリューム系ガラスで屈伏温度５５３℃、ガラス転移温度５１６℃、熱膨張係数９３×１０-7／℃のものを所望体積にボール研磨して作製した。
【００３２】
ヒータ４ａ、４ｂを埋設した上下の加熱板５、６でガラス成形用型１８、下型１９、胴型２０およびガラス材料２１の全体を５９０℃に加熱し、図中Ｐの押圧力４５０Ｎで成形を行った。なお、この成形はこれまでのこの種光学素子の成形と同様に、不活性ガスの雰囲気で保護されたチャンバー内で行われる。またこの場合、上下の加熱板５、６の温度制御、加圧力の制御などは、通常のこの種技術手段によって行われるため、その説明は省略する。
【００３３】
図６は、上記のようにして成形された光学機能面、すなわち上成形母型１の型成形面７と同形状の凸の非球面形状と平面を有する光学素子２２である。この光学素子２２をフィゾー型のレーザー干渉計で透過波面収差を評価したところ、０．０４λＲＭＳ以下の性能が得られ、実用上問題のないことを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
レンズやプリズムなどの光学素子の成形に用いられる成形用型を、従来の機械加工のみによる金型製造よりも安価にかつ短時間で精度の高いガラス成形用型の製造が可能となり、加熱押圧成形法によって光学素子を成形する成形用型に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態例におけるガラス成形型基材を成形する成形装置の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態例におけるガラス成形型基材とガラス成形型比較基材の断面図
【図３】本発明の実施の形態例におけるガラス成形型基材の芯取り加工状態の概略構成図
【図４】本発明の実施の形態例におけるガラス成形用型の断面図
【図５】本発明の実施の形態例における光学素子の成形装置を示す概略構成図
【図６】本発明の実施の形態例における光学素子の側面図
【符号の説明】
【００３６】
１  上成形母型
２  下成形母型
３、２０  胴型
４ａ、４ｂ  ヒータ
５、６  加熱板
７、８  型成形面
９、２１  ガラス材料
１０  ガラス成形型基材
１３、１４  ホルダ
１５  ベル軸
１７  ダイヤモンド砥石
１８  ガラス成形用型
１９  下型
２２  光学素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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