(57)【要約】【課題】非回転軸対象の光学素子を成形する際に、光学素子の稜線部分に対してガラスの充填不足がなく、しかも良好な面精度で成形する。【解決手段】少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する。ガラス素材の流動速度を成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間で異なる状態または各成形面間で異なる状態としてプレスすることによりキャビティ内にガラスを充填する工程と、型全体を均等な温度にする工程と、型全体を均一な温度に冷却する工程とを備える。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する方法であって、
前記ガラス素材の流動速度を前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで異なる状態または各成形面間で異なる状態としてプレスすることによりキャビティ内にガラスを充填する工程と、型全体を均一な温度に加熱する工程と、型全体を均一な温度に冷却する工程とを備えていることを特徴とする光学素子の成形方法。
【請求項２】
少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する方法であって、
前記ガラス素材における成形面と接触する部分のガラスの粘度によって変化する粘性摩擦抵抗を前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近で異なる状態または各成形面間で異なる状態としてプレスすることによりキャビティ内にガラスを充填する工程と、型全体を均一な温度に加熱する工程と、型全体を均一な温度に冷却する工程とを備えていることを特徴とする光学素子の成形方法。
【請求項３】
少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する方法であって、
前記ガラス素材と型表面との摩擦抵抗を前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近で異なる状態または各成形面間で異なる状態としてプレスすることによりキャビティ内にガラスを充填する工程と、型全体を均一な温度に加熱する工程と、型全体を均一な温度に冷却する工程とを備えていることを特徴とする光学素子の成形方法。
【請求項４】
前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間の温度または各成形面間の温度が異なるように加熱することを特徴とする請求項２または３記載の光学素子の成形方法。
【請求項５】
前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間の加熱速度または各成形面間の加熱速度が異なるように加熱することを特徴とする請求項２または３記載の光学素子の成形方法。
【請求項６】
熱伝導率が異なった材質からなる型を用いて加熱速度を異なる状態とすることを特徴とする請求項５記載の光学素子の成形方法。
【請求項７】
上下の型における前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間の面粗さまたは各成形面間の面粗さが異なるようにしてガラス素材と型表面との摩擦抵抗を異なる状態とすることを特徴とする請求項３記載の光学素子の成形方法。
【請求項８】
前記プレスをキャビティ内における稜線の方向にガラスが流動する分力が発生する方向に対して行うことにより、ガラス素材の流動速度を前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで異なる状態または各成形面間で異なる状態とすることを特徴とする請求項１記載の光学素子の成形方法。
【請求項９】
前記成形面中心部とキャビティ内における稜線部分との間または各成形面間でガラス素材の粘度が異なるように冷却してガラス素材の粘性摩擦抵抗を異なる状態とすることを特徴とする請求項２記載の光学素子の成形方法。
【請求項１０】
前記成形面中心部とキャビティ内における稜線部分との間または各成形面間でガラス素材の粘度が異なるようにプレス速度またはプレス圧力を制御してガラス素材の粘性摩擦抵抗を異なる状態とすることを特徴とする請求項２記載の光学素子の成形方法。
【請求項１１】
請求項４〜７、９，１０の複数の手段を組み合わせてガラス素材の粘性摩擦抵抗または型表面の摩擦抵抗の少なくとも一方を異なる状態とすることを特徴とする請求項２または３記載の光学素子の成形方法。
【請求項１２】
少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する装置であって、
下記ａ、ｂ、ｃの少なくとも１つの手段により、ガラス素材における成形面と接触する部分のガラスの粘度によって変化する粘性摩擦抵抗を前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで異なる状態または各成形面間で異なる状態としてガラスをキャビティ内に充填する充填制御部と、型全体が均一な温度となるように制御する温度制御部と、型全体が均一な温度となるように冷却する冷却制御部とを備えていることを特徴とする光学素子の成形装置。
ａ  前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間で温度が異なるように加熱を制御する手段
ｂ  前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで加熱速度が異なるように加熱を制御する手段
ｃ  ガラス素材内部の粘度とキャビティ内における稜線部分のガラス素材の粘度とが異なるようにプレス速度またはプレス圧力を制御する手段
【請求項１３】
少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する装置であって、
下記ｄ、ｅの少なくとも１つの手段により、ガラス素材と型表面との摩擦抵抗を前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで異なる状態または各成形面間で異なる状態としてガラスをキャビティ内に充填する充填制御部と、型全体が均一な温度となるように制御する温度制御部と、型全体が均一な温度となるように冷却する冷却制御部とを備えていることを特徴とする光学素子の成形装置。
ｄ  前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間で温度が異なるように加熱を制御する手段
ｅ  前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで加熱速度が異なるように加熱を制御する手段
【請求項１４】
少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する装置であって、
プレス軸方向に対して上型及び下型を傾斜させる傾斜手段を備えていることを特徴とする光学素子の成形装置。
【請求項１５】
少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する装置であって、
プレス軸方向に対して上型及び下型を傾斜させる傾斜手段と、型全体が均一な温度となるように制御する温度制御部と、型全体が均一な温度となるように冷却する冷却制御部とを備えていることを特徴とする光学素子の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス素材を加熱、軟化して一対の成形型で成形する光学素子の成形方法及び成形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス素材をプレスしてプリズム形状等の光学素子を得る方法として、従来では、外周面を円滑加工したガラス素材を上下一対の金型で押圧成形している。これにより、プリズムなどの多面からなる光学素子を成形している（特許文献１参照）。
【０００３】
また、別の従来方法では、成形型の成形面と同一形状の切欠きを設けた中空状の支持皿を搬送皿内に設置し、切欠き上に円柱状のガラス素材を寝かせて支持することによりガラス素材を搬送皿内に載置し、この状態で加熱軟化させて上下型内に搬送して成形している（特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６１−１２７６２６号公報
【特許文献２】
特開平８−２６７４８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載されている成形方法では、円筒状のガラス素材と上下金型とを一定温度に加熱して成形する際に、ガラスが下型に向かって変形流動するときに発生する摩擦抵抗が上型の表面に発生する摩擦抵抗に対して大きいため、下型に設けられた光学面及び成形面の間の稜線部分にガラスが充填される前に上型の側面部へガラスが流れ込む。このため、良好な形状精度を得ることが困難となっている。
【０００６】
また、上型と下型の隙間に入り込んだ駄肉が徐冷時に部分的に早く固まってプレス荷重を受けるため、成形面に荷重をかけて徐冷することが困難になり、これにより良好な面精度を得ることができないものとなっている。さらに、型には光学成形面以外の成形面が存在していないため、ガラスが型の側面に流れ出してガラス全体に高いプレス圧をかけることができない。このため、良好な面精度を得ることが難しい問題がある。
【０００７】
特許文献２に記載されている方法では、駄肉が搬送皿上部と上型の型面との間に流れ込むため、良好な形状が得られないものとなっている。また、その駄肉が徐冷時に部分的に早く固まってプレス荷重を受けることにより、成形面に荷重をかけて徐冷することが困難になり、良好な面精度を得ることができない。さらに、加熱軟化したガラス素材に温度の低い下型が先に接触するため、ガラス素材の下部が先に冷却され、下型における光学面及び成形面の間の稜線部分までガラスが回り込むことがなく、これにより、形状精度を得ることが困難となっている。
【０００８】
本発明は、以上のような従来の問題点を考慮してなされたものであり、複数の平面あるいは球面部や非球面部を設けた平面、または自由曲面によって構成される非回転軸対称の光学素子を成形する際に、成形品の稜線部分にガラスの充填不良がなく、しかもヒケによる面精度の劣化がなく、所望の品質を得ることが可能な光学素子の成形方法及び成形装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明の光学素子の成形方法は、少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する方法であって、前記ガラス素材の流動速度を前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで異なる状態または各成形面間で異なる状態としてプレスすることによりキャビティ内にガラスを充填する工程と、型全体を均一な温度に加熱する工程と、型全体を均一な温度に冷却する工程とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
請求項１の発明では、上下型の間にガラス素材を配置した状態で、上下型及びガラス素材を加熱してガラス素材をプレスする。このとき、ガラス素材の流動速度を成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで異なる状態または各成形面間で異なる状態としてプレスするため、形状による充填性の差を補い、光学素子全体にわたって充填不良を発生することなく、各稜線までガラスを充填することができ、これにより、形状精度の良好な光学素子を成形することができる。
【００１１】
また、このようにガラスの充填状態を最適化することにより、駄肉の発生を抑えることが可能となるため、成形時におけるプレス荷重が駄肉へ集中することがなく、プレス荷重が面全体に作用するため、良好な面精度の光学素子を成形することが可能となる。
【００１２】
なお、請求項１を始めとした本発明において、成形面中心部は、上下型のガラス素材と接触する成形面における面内の略中心部分を示し、キャビティ内における稜線付近とは離れた部位となっている。
【００１３】
請求項２の発明の光学素子の成形方法は、少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する方法であって、前記ガラス素材における成形面と接触する部分のガラスの粘度によって変化する粘性摩擦抵抗を前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近で異なる状態または各成形面間で異なる状態としてプレスすることによりキャビティ内にガラスを充填する工程と、型全体を均一な温度に加熱する工程と、型全体を均一な温度に冷却する工程とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明では、上下型及びガラス素材を加熱してガラス素材をプレスするときに、ガラス素材における成形面と接触する部分のガラスの粘度によって変化する粘性摩擦抵抗を成形面中心部とキャビティ内における稜線付近で異なる状態とするため、形状による充填性の差を補い、光学素子全体にわたって充填不良を発生することなく、各稜線までガラスを充填することができる。また、ガラスの粘性摩擦抵抗を各成形面間で異なる状態とすることによっても、同様に、形状による充填性の差を補って各稜線部分までガラスを充填することができる。これらにより、形状精度の良好な光学素子を成形することができる。しかも、このようにガラスの充填状態を最適化することにより、駄肉の発生を抑えることが可能となるため、成形時におけるプレス荷重が駄肉へ集中することがなく、プレス荷重が面全体に作用するため、良好な面精度の光学素子を成形することが可能となる。
【００１５】
請求項３の発明の光学素子の成形方法は、少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する方法であって、前記ガラス素材と型表面との摩擦抵抗を前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近で異なる状態または各成形面間で異なる状態としてプレスすることによりキャビティ内にガラスを充填する工程と、型全体を均一な温度に加熱する工程と、型全体を均一な温度に冷却する工程とを備えていることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明では、上下型及びガラス素材を加熱してガラス素材をプレスするときに、ガラス素材と型表面との摩擦抵抗を成形面中心部とキャビティ内における稜線付近で異なる状態または各成形面間で異なる状態とするため、形状による充填性の差を補い、光学素子全体にわたって充填不良を発生することなく、各稜線までガラスを充填することができ、形状精度の良好な光学素子を成形することができる。また、ガラスの充填状態を最適化することにより、駄肉の発生を抑えることができるため、成形時におけるプレス荷重が駄肉へ集中することがなく、プレス荷重が面全体に作用するため、良好な面精度の光学素子を成形することが可能となる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項２または３記載の光学素子の成形方法であって、前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間の温度または各成形面間の温度が異なるように加熱することを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明では、成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間の温度または各成形面間の温度が異なるように加熱制御することにより、ガラス素材の粘性摩擦抵抗または／及びガラス素材と型表面との摩擦抵抗を部分的に変化させるため、充填不良が発生することなく、稜線部分までガラス充填させることができる。従って、形状精度の良好な光学素子を成形することができる。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項２または３記載の光学素子の成形方法であって、前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間の加熱速度または各成形面間の加熱速度が異なるように加熱することを特徴とする。
【００２０】
請求項５の発明では、成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間の加熱速度または各成形面間の加熱速度が異なるように加熱することにより、充填工程でのガラスの粘度に分布を付与するため、充填不良を発生することなく、ガラスを稜線部分まで充填させることができ、形状精度の良好な光学素子を成形することができる。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項５記載の光学素子の成形方法であって、熱伝導率が異なった材質からなる型を用いて加熱速度を異なる状態とすることを特徴とする。
【００２２】
請求項６の発明では、上下の型として熱伝導率の異なる材質を用いることにより、同じヒータで加熱を行っても、成形面に温度差がある状態で加熱することができる。このため、請求項５と同様に、充填不良を発生することなく、稜線部分まで充填させることが可能になる。特に、この発明では、型として熱伝導率が異なる材質を選定するだけであるため、加熱速度の差を簡単に制御することができる。
【００２３】
請求項７の発明は、請求項３記載の光学素子の成形方法であって、上下の型における前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間の面粗さまたは各成形面間の面粗さが異なるようにしてガラス素材と型表面との摩擦抵抗を異なる状態とすることを特徴とする。
【００２４】
請求項７の発明では、上下の型における成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間の面粗さまたは各成形面間の面粗さを異ならせることにより、型の表面状態を各成形面ごとに異ならせることができ、これにより充填不良を発生することなく、稜線部分までガラスを充填させることができる。
【００２５】
請求項８の発明は、請求項１記載の光学素子の成形方法であって、前記プレスをキャビティ内における稜線の方向にガラスが流動する分力が発生する方向に対して行うことにより、ガラス素材の流動速度を前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで異なる状態または各成形面間で異なる状態とすることを特徴とする。
【００２６】
請求項８の発明では、プレスの際のプレス方向をキャビティ内における稜線の方向にガラスが流動する分力が発生する方向に対して行うため、ガラス素材の流動速度を成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで異なる状態または各成形面間で異なる状態とすることができ、形状による充填性の差を補い、光学素子全体にわたって充填不良を発生することなく、各稜線までガラスを充填することができ、形状精度の良好な光学素子を成形することができる。
【００２７】
請求項９の発明は、請求項２記載の光学素子の成形方法であって、前記成形面中心部とキャビティ内における稜線部分との間または各成形面間でガラス素材の粘度が異なるように冷却してガラス素材の粘性摩擦抵抗を異なる状態とすることを特徴とする。
【００２８】
請求項９の発明では、成形面中心部とキャビティ内における稜線部分との間または各成形面間でガラス素材の粘度が異なるように冷却を行うことにより、充填不良を発生することなく、稜線部分に充填させることができる。粘度を変化させる手段としては、例えば、成形中の雰囲気温度を冷却ガスの流量により変化させることにより、ガラス素材における型と接触していない部分を直接冷却することにより可能である。
【００２９】
請求項１０の発明は、請求項２記載の光学素子の成形方法であって、前記成形面中心部とキャビティ内における稜線部分との間または各成形面間でガラス素材の粘度が異なるようにプレス速度またはプレス圧力を制御してガラス素材の粘性摩擦抵抗を異なる状態とすることを特徴とする。
【００３０】
請求項１０の発明では、加熱段階でプレス圧力あるいはプレス速度を変化させることにより、ガラス素材と成形面との接触面積を変化させてガラス素材に伝わる熱量を変化させる。これにより、ガラス素材内部の粘度とキャビティ内における稜線部分の粘度とが異なった分布となるため、充填不良を発生することなく、稜線部分に充填させることが可能となる。
【００３１】
請求項１１の発明は、請求項２または３記載の光学素子の成形方法であって、請求項４〜７、９，１０の複数の手段を組み合わせてガラス素材の粘性摩擦抵抗または型表面の摩擦抵抗の少なくとも一方を異なる状態とすることを特徴とする。
【００３２】
この発明では、請求項４〜７、９，１０の複数の手段を組み合わせることにより、制御性良く、確実且つ容易にガラスの粘性摩擦抵抗を異なる状態とすることができる。
【００３３】
請求項１２の発明の光学素子の成形装置は、少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する装置であって、下記ａ、ｂ、ｃの少なくとも１つの手段により、ガラス素材における成形面と接触する部分のガラスの粘度によって変化する粘性摩擦抵抗を前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで異なる状態または各成形面間で異なる状態としてガラスをキャビティ内に充填する充填制御部と、型全体が均一な温度となるように制御する温度制御部と、型全体が均一な温度となるように冷却する冷却制御部とを備えていることを特徴とする。
ａ  前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間で温度が異なるように加熱を制御する手段
ｂ  前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで加熱速度が異なるように加熱を制御する手段
ｃ  ガラス素材内部の粘度とキャビティ内における稜線部分のガラス素材の粘度とが異なるようにプレス速度またはプレス圧力を制御する手段
【００３４】
請求項１２の発明では、充填制御部が成形面中心部とキャビティ内における稜線付近の温度、加熱速度または／及びプレス速度またはプレス圧力を制御するため、粘性摩擦抵抗を成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで異なる状態または各成形面間で異なる状態となるように変化させることができる。このため、形状による充填性の差を補い、光学素子全体にわたって充填不良を発生することなく、各稜線部分までガラスを充填することができ、形状精度の良好な光学素子を成形することができる。また、駄肉の発生を抑えることができ、成形時におけるプレス荷重が駄肉へ集中することがなく、プレス荷重が面全体に作用するため、良好な面精度の光学素子を成形することができる。
【００３５】
請求項１３の発明の光学素子の成形装置は、少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する装置であって、下記ｄ、ｅの少なくとも１つの手段により、ガラス素材と型表面との摩擦抵抗を前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで異なる状態または各成形面間で異なる状態としてガラスをキャビティ内に充填する充填制御部と、型全体が均一な温度となるように制御する温度制御部と、型全体が均一な温度となるように冷却する冷却制御部とを備えていることを特徴とする。
ｄ  前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近との間で温度が異なるように加熱を制御する手段
ｅ  前記成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで加熱速度が異なるように加熱を制御する手段
【００３６】
請求項１３の発明では、充填制御部が成形面中心部とキャビティ内における稜線付近の加熱または／及び加熱速度を制御するため、ガラス素材と型表面との摩擦抵抗を成形面中心部とキャビティ内における稜線付近とで異なる状態または各成形面間で異なる状態となるように変化させることができる。このため、形状による充填性の差を補い、光学素子全体にわたって充填不良を発生することなく、各稜線部分までガラスを充填することができ、形状精度の良好な光学素子を成形することができる。また、駄肉の発生を抑えることができ、成形時におけるプレス荷重が駄肉へ集中することがなく、プレス荷重が面全体に作用するため、良好な面精度の光学素子を成形することができる。
【００３７】
請求項１４の発明の光学素子の成形装置は、少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する装置であって、プレス軸方向に対して上型及び下型を傾斜させる傾斜手段を備えていることを特徴とする。
【００３８】
請求項１４の発明では、傾斜手段がプレス軸方向に対して上型及び下型を傾斜させることにより、ガラス素子のプレスの際に、キャビティ内における稜線の方向にガラスが流動する分力を発生させることができる。これにより、稜線部分へのガラスの充填を行うことができ、充填不良を発生することなく、形状精度の良好な光学素子を成形することができる。
【００３９】
請求項１５の発明の光学素子の成形装置は、少なくとも１面以上の成形面を有した上型と少なくとも１面以上の成形面を有した下型との間に挿入されたガラス素材を加熱プレスすることにより、加熱軟化したガラスを成形面で形成されるキャビティに充填して非回転軸対称の光学素子を成形する装置であって、プレス軸方向に対して上型及び下型を傾斜させる傾斜手段と、型全体が均一な温度となるように制御する温度制御部と、型全体が均一な温度となるように冷却する冷却制御部とを備えていることを特徴とする。
【００４０】
この発明においても、上型及び下型を傾斜させる傾斜手段を備えているため、請求項１４と同様に、稜線の方向にガラスが流動する分力が発生して稜線部分へのガラスの充填を行うことができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施の形態により、具体的に説明する。なお、各実施の形態において、同一の部材には同一の符号を付して対応させてある。
【００４２】
（実施の形態１）
図１〜図６は、本発明の実施の形態１であり、図１は全体の断面図、図２は成形される光学素子、図３及び図４は成形状態、図５は成形の制御、図６は成形における各段階の状態をそれぞれ示す。
【００４３】
この実施の形態では、光学素子として図２に示す複合プリズム２３を成形するものである。複合プリズム２３は、全体が三角柱となっており、その一面には弧状で窪む非球面２７が形成されることにより、全体が非回転軸対称となっている。また、複合プリズム２３は隣接する面との境界部分が屈曲した稜線部２５，２８，２９，３０となっている。
【００４４】
成形装置は図１に示すように、上ベース１と下ベース１３とが対向しており、上ベース１に取り付けられた上スペーサ２に上型固定プレート７が取り付けられ、この上型固定プレート７に上型５が固定されている。上ベース１にはガス導入用孔２２が上下方向に貫通している。また、上ベース１の下面には、石英ガラス管２１の上端が気密性良く取り付けられる。
【００４５】
石英ガラス管２１の下端部は、シール１７を介することにより気密性良く下ベース１３に密着可能となっている。石英ガラス管２１の外部には、上型ヒータ４及び下型ヒータ１１が上ベース１に取り付けられた状態で配置されている。これらの上ベース１、石英ガラス管２１、上型ヒータ４、下型ヒータ１１は一体となって、図示しない駆動手段により上下動可能となっている。
【００４６】
下ベース１３には、ガス排出用孔１５が上下方向に貫通している。また、下ベース１３の内部には、上下方向に摺動可能な駆動ベース１４がＯリング１６を介して嵌合している。駆動ベース１４の上下動は図示を省略した駆動手段によって行われるものである。駆動ベース１４の上部には、下スペーサ１２が取り付けられ、下スペーサ１２上には、下型固定プレート１８が固定されている。下型固定プレート１８の内部には、下型支持スペーサ１９が設けられており、この下型支持スペーサ１９に下非球面型９及び下平面型２０が支持されている。
【００４７】
この場合、これらの下非球面型９及び下平面型２０は、位置決めスペーサ８内に位置決め状態で組み込まれており、位置決めスペーサ８を下型支持スペーサ１９に位置決め状態で取り付けることにより下非球面型９及び下平面型２０の取り付けが行われるようになっている。下非球面型９及び下平面型２０は、後述するガラス素材６を両側から挟むように配置されており、下非球面型９は、ガラス素材６に非球面２７を形成し、下平面型２０は非球面２７と直交する面をガラス素材６に形成する。
【００４８】
ガラス素材６は、下非球面型９及び下平面型２０の上に載置される。ガラス素材６は、ガラス転移点（Ｔｇ点）が５０６℃のＬ−ＢＡＬ４２からなる硝材が使用されている。また、ガラス素材６は成形される複合プリズム２３とは非近似形状の円筒状となって成形に供給される。また、上型５、下非球面型９及び下平面型２０の材質としては超硬金属を用いている。
【００４９】
上型固定プレート７には上型ヒータ制御用熱電対３が挿入されることにより、上型ヒータ４の制御が可能となっており、これにより、上型５の温度制御が行われる。下型固定プレート１８にも下型ヒータ制御用熱電対１０が挿入されることにより、下型ヒータ１１の制御が可能となっており、これにより下非球面型９及び下平面型２０の温度制御が可能となっている。
【００５０】
このような実施の形態において、上型ヒータ４、上型ヒータ制御用熱電対３及び下型ヒータ１１、下型ヒータ制御用熱電対１０は、上型５、下非球面型９及び下平面型２０の温度制御を行う充填制御部として作用する。この充填制御部は、上型５、下非球面型９及び下平面型２０の温度が異なるように加熱を制御したり、上型５、下非球面型９及び下平面型２０の加熱速度が異なるように制御するものである。
【００５１】
さらに、上ベース１が駆動源（図示省略）に連結されることにより上型５の上下動が制御され、駆動ベース１４がプレス源（図示省略）に連結されることにより下非球面型９及び下平面型２０の上下動が制御されており、これらのプレス源もこの実施の形態の充填制御部として作用するものである。
【００５２】
以上の充填制御部は、ガラス素材の流動速度、ガラス素材の粘性摩擦抵抗、ガラス素材と型表面との間の摩擦抵抗を、型５，９，２０の成形面中心部とキャビティ内における稜線部付近とで異なる状態または各成形面間で異なる状態とするものである。
【００５３】
また、この実施の形態では、上型ヒータ４、上型ヒータ制御用熱電対３及び下型ヒータ１１、下型ヒータ制御用熱電対１０は、上型５、下非球面型９及び下平面型２０のそれぞれを設定した温度とするように作用する温度制御部としても作用する。
【００５４】
さらに、石英ガラス管２１内にガスを導入するガス導入用孔２２及びガス導入用孔２２にガスを供給するガス供給源（図示省略）は、上型５、下非球面型９及び下平面型２０のそれぞれが均一な温度となるように冷却する冷却制御部として作用する。
【００５５】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【００５６】
上ベース１を上昇させて、下非球面型９及び下平面型２０の上に円筒状のガラス素材６を載置した後、上型ベース１を下降させて、石英ガラス管２１の下端をシール１７に接触させて内部を密閉する（図１参照）。この状態で、ガス導入用孔２２から窒素ガスを石英ガラス管２１の内部に放出して窒素置換することにより、石英ガラス管２１内の酸素濃度を２０ｐｐｍ以下とする。
【００５７】
次に、上型ヒータ４と下型ヒータ１１とをそれぞれの設定温度に加熱する。図５は、この実施の形態によって行う成形の制御曲線を、図６（ａ）〜（ｅ）は、図５におけるＡ〜Ｅに対応した成形状態を示している。
【００５８】
これらの図に示すように、設定温度まで温度が上昇した後、１分間保持し、図示を省略した駆動装置により駆動ベース１４を駆動し、ガラス充填位置までプレスする。プレス荷重は２０００Ｎ（最終形状に対してプレス圧力が１５〜２０Ｎ／ｍｍ２となる荷重）に設定すると共に、一定のプレス速度で成形する。プレス後において、ガラス素材６は上型５と下非球面型９及び下平面型２０とに接触した部分から加熱されて軟化し、上型５と下非球面型９及び下平面型２０の成形面によって形成されるキャビティ内に充填される。
【００５９】
図３は、この充填の際の状態を示し、図４は図３の右側面図を示す。上下の型温を均一な状態でプレスした場合、稜線部３０、稜線部２５に関してはガラスがはみだして駄肉が発生しやすい。また、稜線部２９及び稜線部２８はガラスが流動しにくく、充填不足が発生しやすい。
【００６０】
この実施の形態では、上型５の温度に対し下非球面型９及び下平面型２０の温度を高くするように制御するものであり、このために下型加熱ヒータ１１の設定温度を上型加熱ヒータ４の設定温度よりも高く設定する。このような設定により、下非球面型９及び下平面型２０の成形面の温度が上型５の成形面の温度より高くなって、下非球面型９及び下平面型２０の成形面と接触しているガラスの粘性摩擦抵抗を上型５の成形面と接触しているガラスの粘性摩擦抵抗よりも小さくすることができる。これにより、上型５の転写領域が広がる前に、ガラスが稜線部２９に充填される。
【００６１】
一方、プレス速度に関しては、プレス速度が速い場合、ガラス素材６が十分に加熱されないうちに変形が開始され、これにより、成形面との間で作用するガラスの所望の粘性摩擦抵抗を得る前にガラス素材６の変形が進んで良好な形状を得ることができない。この実施の形態では、プレス速度を適正な値に調節して、ガラス素材６を十分に加熱し、所望の粘度を得た状態でプレスするものであり、これによりガラスの充填性を確保することが可能となっている。
【００６２】
以上の制御の後、図５に示すように、全体が均一の温度になるまで、軽い圧力（２００Ｎ）で保持し、全体が均一温度になった後、再び２０００Ｎ（最終形状に対してプレス圧力が１５〜２０Ｎ／ｍｍ２となる荷重）のプレス荷重で加圧しながらガラス転移点以下の温度（５００℃以下）まで徐冷して、４８０℃になったところで窒素を吹き付けて急冷を開始する。そして、２００℃付近まで降温した時点で、成形された複合プリズム２３を離型する。
【００６３】
表１は、この実施の形態において、下型加熱ヒータ１１及び上型加熱ヒータ４の設定温度を変更した場合の光学素子（複合プリズム２３）への影響を示している。型の設定温度は上型５を５４０℃、下型９及び２０を５６０℃としたとき、充填性、面精度ともに良好な光学素子が得られている。上型と下型の温度差が小さい場合は稜線部２９の充填が不足するのに対し、型温度差が大きい場合は充填性、面精度とも良好となっているが、稜線部２９への充填が良すぎて、却ってバリが発生して不良品となる。表１において、「ＮＧ」は不良品を、「ＯＫ」は良品を示すものである（後述する表２及び表３も同様）。
【００６４】
【表１】
2005001922.tif 000003
【００６５】
表２は、成形時のプレス速度を変更した場合の光学素子への影響を示している。同表に示すように、プレス速度２ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合に良好な形状、面精度となっているが、プレス速度が３ｍｍ／ｍｉｎ以上では、良好な形状精度を得ることができない。これは、プレス速度が３ｍｍ／ｍｉｎ以上では、稜線部２９にガラスが充填される前に稜線部２５及び稜線部３０から駄肉が発生するためである。
【００６６】
【表２】
2005001922.tif 000004
【００６７】
表３は、一連の工程中に放出している窒素ガスの流量を変化させた場合の光学素子への影響を示している。すなわち、放出される窒素ガスは、成形雰囲気の温度を冷却するものであり、これにより、キャビティ内における稜線部分のガラスの粘度とガラス素材６内部における成形面中心部の粘度とが異なるように制御するようになっている。すなわち、窒素ガスの流量調整によって、稜線部２５、稜線部２８及び稜線部３０におけるガラスの温度を下げて、これらの部分の粘性摩擦抵抗を変化させ、充填性を変化させることができる。表３に示すように、毎分１０リットル／ｍｉｎの窒素ガスの流量の際に、良好な形状精度と面精度とを得ることが可能となっている。
【００６８】
【表３】
2005001922.tif 000005
【００６９】
このような実施の形態によれば、稜線部２５、稜線部２８及び稜線部３０に駄肉を発生させることなく、稜線部２９にガラスを充填させることが可能となるため、形状精度の良好な非回転軸対称光学素子を成形することが可能となる。また、駄肉が発生しないことにより、プレス荷重が駄肉に集中することがなく、面全体に作用させることができるため、面精度の良好な非回転軸対称光学素子を成形することができる。
【００７０】
以上に加えて、上型５、下非球面型９及び下平面型２０の成形面付近またはキャビティ内における稜線付近の加熱速度が異なるように加熱することができる。これは、上型５、下非球面型９及び下平面型２０として、熱伝導率が異なった材質を用いることにより可能である。この実施の形態では、下非球面型９及び下平面型２０を超硬合金としたままで、上型５の材質だけを超硬合金（熱伝導率：６０Ｗ／ｍｋ）からＳｉＣ（熱伝導率：１５Ｗ／ｍｋ）に変更して加熱した。このように、上下の型を熱伝導率が異なった材質とすることにより、上下型におけるの成形面付近またはキャビティ内における稜線付近の加熱速度が変更されるため、充填工程でのガラスの粘度に分布を付与することができる。これにより、充填不良を発生することなく、形状精度の良好な光学素子を成形することができる。
【００７１】
さらに、上型５、下非球面型９及び下平面型２０における成形面付近またはキャビティ内における稜線付近の面粗さが異なるようにしてガラスと型表面との摩擦抵抗を異なる状態とすることも可能である。この場合には、型の成形面に対してスパッタリング等のコーティング処理を行うことにより可能となる。この実施の形態では、上型５の成形面の表面粗さ（Ｒａ）を３０ｎｍとしたのに対し、下非球面型９及び下平面型２０の成形面を薄膜コーティング処理することにより、表面粗さ（Ｒａ）を４０ｎｍとした。このようにすることにより、充填性の高い非回転軸対象の光学素子を成形することができた。なお、表面粗さの測定は、測定機器として、商品名「タリサーフ」（テーラーホブソン株式会社製）を用い、測定長さを１ｍｍ、測定個所を中心と両端部の３個所として行ったものである。
【００７２】
（実施の形態２）
図７は、実施の形態２に用いる成形装置を示す。この実施の形態では、下非球面型９における上型５に近い側面部に、補助ヒータ３１が取り付けられ、下非球面型９と下平面型２０の間における側面部に、補助ヒータ３２が取り付けられ、さらに下平面型９における上型５に近い側面部に、補助ヒータ３６が取り付けられている。
【００７３】
これに加えて、下非球面型９には補助ヒータ制御用熱電対３３が挿入されることにより、補助ヒータ３１の温度制御が可能となっている。また、位置決めスペーサ８の下部には補助ヒータ制御用熱電対３４が挿入されることにより、補助ヒータ３２の温度制御が可能となっている。さらに、下平面型２０には補助ヒータ制御用熱電対３５が挿入されることにより、補助ヒータ３６の温度制御が可能となっている。
【００７４】
この実施の形態では、上型ヒータ４及び下型ヒータ１１によって上型５を５４０℃、下型９，２０を５６０℃まで加熱した後、補助ヒータ３１、３２によって下型９，２０を設定温度５８０℃で加熱する。なお、この形状の複合プリズム２３においては、補助ヒータ３６は用いることなく成形を行ったが、光学素子の形状によっては、補助ヒータ３６を併用することができる。
【００７５】
補助ヒータ３１により稜線部２８を成形する成形面が局部的に加熱されると共に補助ヒータ３２により稜線部２９を成形する成形面が局部的に加熱される。これらの加熱によって、ガラスにおける成形面と接触している部分の粘性摩擦抵抗が減少するため、稜線部２９にガラスを良好に充填することができる。このため、この実施の形態では、プレス速度が５ｍｍ／ｓｅｃでも良好な充填性を得ることが可能となっている。
【００７６】
このような実施の形態では、実施の形態１の効果に加えて、充填しにくい稜線部分を局所的に加熱するため、プレス速度を速くしても良好に充填することができ、サイクルタイムを短縮することができる。また、稜線部分が薄い光学素子であっても良好に充填することができる。
【００７７】
（実施の形態３）
図８〜図１０は、本発明の実施の形態３に適用される成形装置を示す。
【００７８】
この成形装置において、下スペーサ１２上面には、チルト調整スペーサ３７が取り付けられている。チルト調整スペーサ３７は下面がシリンドリカルに加工されており、同様にシリンドリカルに形成された下スペーサ１２の上面に摺動可能に支持されている。このチルト調整スペーサ３７には、下型固定プレート１８及び下型支持スペーサ１９が取り付けられており、下型支持スペーサ１９には位置決めスペーサ８内に組み込まれた下非球面型９及び下平面型２０が固定されている。このような構造では、チルト調整スペーサ３７が下スペーサ１２の上面に沿って摺動することにより、下非球面型９の成形面とプレス軸に垂直な面とのなす角が小さくなるようになっている。
【００７９】
また、上スペーサ２の下面には、チルト調整スペーサ３８が取り付けられている。チルト調整スペーサ３８の下面には、上型５を固定した上型固定プレート７が取り付けられている。チルト調整スペーサ３８は、その型取付面が下側のチルト調整スペーサ３７における型取付面と平行となるように上スペーサ２に取り付けられている。この上型５側のチルト調整スペーサ３８においても、下型側のチルト調整スペーサ３７と同様に、上スペーサ２とシリンドリカルで接触することにより、上スペーサ２と摺動可能となっている。
【００８０】
このような実施の形態において、下側のチルト調整スペーサ３７は、下型（この実施の形態では、下平面型２０）の成形面をプレス軸に対して傾斜させる傾斜手段として作用し、上側のチルト調整スペーサ３８は、上型５の成形面をプレス軸に対して傾斜させる傾斜手段として作用する。
【００８１】
この実施の形態では、図８に示すように、型取付面が平行となった状態を維持したままで上下のチルト調整スペーサ３７，３８をプレス軸方向と傾斜させた状態とする。そして、上型ヒータ４及び下型ヒータ１１をそれぞれ設定温度に加熱した後、図示を省略した駆動手段により駆動ベース１４を駆動してプレスを開始する。
【００８２】
このとき、ガラス素材６と上型５の成形面との間に作用するプレス荷重３９は図９に示すように、上型５の成形面に対して垂直方向に作用する垂直分力４０と水平分力４１とに分解される。この水平分力４１はガラス素材６を稜線部２９の方向に押し込むように作用する。このため、ガラス素材６を下平面型２０よりも下非球面型９の方向に偏ってプレスすることができる。これにより、充填しにくい稜線部２９にガラスを充填させることができる。
【００８３】
一方、ガラス素材６と下平面型２０の成形面との間に作用するプレス荷重３８も、下平面型２０の成形面に対して垂直方向に作用する垂直分力４２と、水平分力４３とに分解される。水平分力４３は、型を傾斜させない場合に比べて大きくなるため、稜線部２８の方向にガラスを押し込む荷重が増加する。これにより、充填しにくい稜線部２８にガラスを充填させることができる。これにより図１０に示すように、充填性が良好となった状態で光学素子を成形することができる。
【００８４】
このような実施の形態では、実施の形態１の効果に加えて、ガラスに対して温度分布を付与しないため、均温化する工程を削減でき、これにより、サイクルタイムを短縮することが可能となる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学素子の成形方法によれば、ガラスの粘性摩擦抵抗、摩擦抵抗、プレス方向の内の一つまたは複数を変化させることにより、成形時におけるガラスの流動速度を変化させるため、成形面で形成されるキャビティ内ガラスを形状精度良く充填させることができる。また、その後に、均温化して徐冷するため、形状精度及び面精度の良好な非回転軸対称光学素子を成形することができる。
【００８６】
本発明の光学素子の成形装置によれば、成形面付近または稜線付近でのガラスの流動速度を変化させることができるため、光学素子全体にわたって充填不良が発生することがなく、形状精度の良好な光学素子を成形することができ、しかも、駄肉の発生を抑えることができるため、プレス荷重が面全体に作用し、良好な面精度の光学素子を成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の全体断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、成形される複合プリズムの断面図及び正面図である。
【図３】実施の形態１における成形途中の断面図である。
【図４】図３の右側面からの断面図である。
【図５】実施の形態１によって成形する場合の制御特性図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、図５のＡ点〜Ｅ点における成形状態を示す断面図である。
【図７】実施の形態２の断面図である。
【図８】実施の形態３の断面図である。
【図９】実施の形態３における分力の発生を説明する断面図である。
【図１０】実施の形態３の成形状態の断面図である。
【符号の説明】
１  上ベース
２  上スペーサ
３  上型ヒータ用熱電対
４  上型ヒータ
５  上型
６  ガラス素材
７  上型固定プレート
９  下非球面型
１０  下型ヒータ制御用熱電対
１１  下型ヒータ
１２  下スペーサ
１３  下ベース
１８  下型固定プレート
１９  下型支持スペーサ
２０  下平面型
２３  複合プリズム
２５  稜線部
２７  非球面
２８，２９，３０  稜線部
３１，３２  補助ヒータ
３３、３４、３５  補助ヒータ制御用熱電対
３７，３８  チルト調整具
３９  プレス荷重
【図１】
2005001922.tif 000006
【図２】
2005001922.tif 000007
【図３】
2005001922.tif 000008
【図４】
2005001922.tif 000009
【図５】
2005001922.tif 000010
【図６】
2005001922.tif 000011
【図７】
2005001922.tif 000012
【図８】
2005001922.tif 000013
【図９】
2005001922.tif 000014
【図１０】
2005001922.tif 000015