(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形面を互いに対向して配置された一対の成形型とこの成形型間に配置された光学素子素材とを輻射加熱手段から発振される電磁波によって加熱する光学素子成形型の加熱方法において、
前記輻射加熱手段から発振された電磁波を反射させる反射鏡を移動させることによって、電磁波の焦点位置または電磁波の反射方向を変化させ、前記成形型に到達する輻射熱量を一方の成形型と他方の成形型とで異なるように制御し、一対の成形型間に温度差を生じさせながら加熱することを特徴とする光学素子成形型の加熱方法。
【請求項２】
成形面を互いに対向して配置された一対の成形型とこの成形型間に配置された光学素子素材とを輻射加熱手段から発振される電磁波によって加熱する光学素子成形型の加熱装置において、
前記輻射加熱手段から発振された電磁波を反射させる反射鏡と、前記反射鏡の光軸方向の位置または回転角度を変化させる可変手段とを具備することを特徴とする光学素子成形型の加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス光学素子の成形方法における光学素子成形型の加熱手段に係わり、詳しくは輻射加熱手段を用いた光学素子成形型の加熱方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、輻射加熱手段を用いた光学素子成形型の加熱方法には、「光学素子の加圧成形における加熱方法」として、特開昭６２−５９５３９号公報所載の技術が開示されている。図１０を用いてこの技術を説明する。図１０において、加圧成形装置１０１の内周壁には炉壁１０２が形成されている。炉壁１０２の側壁部１０２ａには、反射板１０３が適当な手段によって取付けられ、この反射板１０３に対向してハロゲンランプ１０４が取付けられるようになっている。また、加圧成形装置１０１の中央部には、保持台１０５の上に加圧成形用の金型１０６の胴型１０６ａ、上型１０６ｂ、及び下型１０６ｃが備えられている。この成形用の金型１０６の加圧成形室１０６ｄには、予め成形用素材１０７が置かれている。そして、金型１０６の上型１０６ｂには、加圧棒１０８が固定されており、この加圧棒１０８は図示しない加圧棒駆動手段を駆動することにより下方に押し下げられるようになっている。つまり、加圧棒１０８が押し下げられると、それに伴って金型１０６の上型１０６ｂが押し下げられ、加圧成形室１０６ｄ内の成形用素材１０７が圧縮成形されるようになる。
【０００３】
つぎに、上記加圧成形装置１０１を用いた成形用金型１０６および成形用素材１０７の加熱方法について説明する。ハロゲンランプ１０４より放出される熱線を反射板１０３により成形用金型１０６の胴型１０６ａの成形用素材１０７の挿入部に集中させる。加熱された部分の熱は、成形用金型１０６の上型１０６ｂ、下型１０６ｃに伝達するよりも多く成形用素材１０７に伝達する。従って、従来の加熱方法よりも速く少ない熱エネルギで、成形用素材１０７が加熱軟化して加圧成形が可能になる。一方、成形用素材１０７が加熱軟化した時点での成形用金型の上型１０６ｂ、下型１０６ｃの温度は、従来加熱方法のそれよりも低いために、加圧成形時に上型１０６ｂ、下型１０６ｃと成形用素材１０７とが接触する光学面に気泡が発生しないというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記従来技術にはつぎのような問題点があった。すなわち、レンズなどの光学素子の曲率半径に著しい差がある場合には、成形用金型の上型と下型とに一様に輻射熱を照射して成形すると、光学素子の成形過程時において、例えば、曲率半径の小さい上型の型空隙部に充満するガラス体積の方が、曲率半径の大きい下型の型空隙部に充満するガラス体積よりも多いために、上型の型空隙部に充満するガラスの方が、下型の型空隙部に充満するガラスよりも熱容量が多くなり、ガラス冷却時に上型側のガラスの冷却が遅くなる。このために、成形された光学素子に不均等な熱分布が生じ、内部応力が発生し、ヒケ、割れ、残留応力による複屈折の発生などの不具合が発生していた。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、請求項１に係る発明の課題は、光学素子を成形する際に生じる不均等な熱分布を小さくする光学素子成形型の加熱方法を提供することである。
請求項２に係る発明の課題は、請求項１に係る発明の光学素子成形型の加熱方法を実施するための光学素子成形型の加熱装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明の光学素子成形型の加熱方法は、成形面を互いに対向して配置された一対の成形型とこの成形型間に配置された光学素子素材とを輻射加熱手段から発振される電磁波によって加熱する光学素子成形型の加熱方法において、前記輻射加熱手段から発振された電磁波を反射させる反射鏡を移動させることによって、電磁波の焦点位置または電磁波の反射方向を変化させ、前記成形型に到達する輻射熱量を一方の成形型と他方の成形型とで異なるように制御し、一対の成形型間に温度差を生じさせながら加熱する。
請求項２に係る発明の光学素子成形型の加熱装置は、成形面を互いに対向して配置された一対の成形型とこの成形型間に配置された光学素子素材とを輻射加熱手段から発振される電磁波によって加熱する光学素子成形型の加熱装置において、前記輻射加熱手段から発振された電磁波を反射させる反射鏡と、前記反射鏡の光軸方向の位置または回転角度を変化させる可変手段とを具備する。
【０００７】
すなわち、請求項１に係る発明の光学素子成形型の加熱方法は、輻射加熱手段から発振された電磁波を反射させる反射鏡を移動させることによって、電磁波の焦点位置または電磁波の反射方向を変化させ、成形型に到達する輻射熱量を一方の成形型と他方の成形型とで異なるように制御し、一対の成形型間に温度差を生じさせながら加熱する。
また、請求項２に係る発明の光学素子成形型の加熱装置は、輻射加熱手段から発振された電磁波を反射鏡で反射させて、一対の成形型とこの成形型間に配置された光学素子素材とを加熱する。このとき、可変手段で反射鏡の光軸方向の位置または回転角度を変化させることにより、一方の成形型と他方の成形型とに到達する輻射熱量を変化させる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態では、輻射加熱装置から発振される電磁波を上型と下型とガラス素材とに向けて反射させる反射鏡を、前後に移動させるか、または反射鏡を回転させることにより、上型と下型とのそれぞれに反射される電磁波に差をつけ、上型と下型との内、曲率半径の小さい方の型が吸収する輻射熱量を他方の型より減少させ、上型と下型とを異なる温度に昇温し、曲率半径が小さい即ち型空隙部が大きい型に充満するガラスから曲率半径が小さい型に移動する熱の移動速度を相対的に速め、ガラス光学素子の冷却過程中に生じる不均等な熱分布を少なくし、ガラス光学素子に発生する内部応力を軽減するものである。
【０００９】
本発明の実施の形態においては、両凸レンズを成形する場合を例としたが、両凹レンズ、メニスカスレンズ、平凸レンズ、平凹レンズなど、成形される光学面の曲率半径に著しい差のあるレンズであって、上下の型の型空隙部に差があるレンズを成形する場合にも、適用することができる。また、レンズの成形面は球面に限らず、非球面、円筒面、放物面などの曲面を有する場合にも適用することができる。さらにプリズムなどの光学素子であって、上下の型の型空隙部に差がある場合にも、適用することができる。さらに、本発明の実施の形態では、成形型および光学素子素材を加熱する輻射加熱手段として、赤外線ランプヒータを用いているが、これに限ることなく、電磁波としての放射線の発生源として、レーザ光源やマイクロ波発生装置を用いてもよい。以下、具体的な実施の形態について説明する。
【００１０】
（実施の形態１）
図１〜図６は実施の形態１を示し、図１は光学素子成形型の加熱装置の縦断面図、図２は上型および下型の昇温パターンを示す図表、図３は従来の加熱方法による両凸レンズの熱溜まりを示す図、図４は本実施の形態による両凸レンズの熱溜まりを示す図、図５は昇温過程における初期の光線の軌跡であって図１のＡ−Ａ′断面図、図６は昇温過程における中期以降の光線の軌跡であって図１のＡ−Ａ′断面図である。
【００１１】
本実施の形態においては、上型成形面側が下型成形面側よりも曲率半径が小さい両凸レンズを成形する場合について説明する。図１において、成形型の一方としての上型１は、ＷＣを素材とし、成形面１ａは曲率半径１０ｍｍの球面に鏡面加工されている。また、成形型の他方としての下型２は、ＷＣを素材とし、成形面２ａは曲率半径１００ｍｍの球面に鏡面加工されている。上型１と下型２とは対向して配設されて一対となっている。上型１と下型２との間には、光学素子素材としてのガラス素材３が配置され、ガラス素材３は住田光学ガラス社製Ｐ−ＳＫ６０（転移点３８１℃、屈伏点４０４℃）を素材とし、球状に予め研磨加工されている。上型１および下型２は、成形面１ａ、２ａの間にガラス素材３を介装して、スリーブ６の内周に摺動自在に嵌装されている。スリーブ６は、ＳｉＣを素材とした円筒状に形成されている。上型１、下型２、ガラス素材３およびスリーブ６を組み合わせて、光学素子成形型および光学素子素材としての成形セットＳを構成する。
【００１２】
成形セットＳは、主軸１０の上面に載置されて、上下動されることにより、内部のガラス素材３を成形する。主軸１０には、図示しないサーボモータが連結されており、サーボモータの回転により上下駆動される。主軸１０の外周には、台８が配設され、台８の中央に穿設された貫通穴８ａに主軸１０が挿入される。台８の上面８ｂには、石英管７が立設されている。石英管７は、成形セットＳの周りを被覆する円筒状の透明石英ガラスからなっている。石英管７の上部には、上蓋５が蓋をするように嵌装されており、上蓋５の中央には、加圧棒４を挿入するための貫通穴５ａが穿設されている。加圧棒４は、先端４ａが平らな棒で、成形セットＳ内のガラス素材３を成形する時に、上型１の上面１ｂに当接するように、図示しない機枠の加圧棒固定部に固定されている。
【００１３】
台８の上面８ｂの外縁側には、石英管７の内部を非酸化性雰囲気にするために不活性ガスを流入する気体流入口１１が上方より穿設されている。この気体流入口１１には、気体流入パイプ１２が連設され、不活性ガスを供給する図示しない気体発生装置に接続されている。また、台８の下面には、複数の穴８ｃが穿設され、この穴８ｃには、シリンダ９のロッド棒９ａが嵌装されている。シリンダ９は、台８を上下方向に移動させるために複数配設され、図示しない機枠に固着されている。シリンダ９は、台８を上下方向に移動して、後述する赤外線ランプヒータ１３と石英管７との上下方向の位置を調節することができる。
【００１４】
石英管７の外方であって、成形セットＳの軸心を中心とした円周上の４等分された位置に、輻射加熱手段としての４本の棒状の赤外線ランプヒータ１３が配設されている。図１においては、図の手前と奥に配置された赤外線ランプヒータ１３は図示を省略してある。赤外線ランプヒータ１３の下部近傍には、反射鏡としての固定反射板１４が配設されている。固定反射板１４は、それぞれの赤外線ランプヒータ１３から発振される電磁波としての赤外線を集光し、下型２に向けて赤外線を反射させるように配置されている。固定反射板１４の反射面１４ａは、赤外線を集光し反射させるように曲面が形成され、鏡面仕上げされた上に金がコーティングされている。また、固定反射板１４は、赤外線ランプヒータ１３と一対で図示しない機枠に取着されている。
【００１５】
また、赤外線ランプヒータ１３の上部近傍には、反射鏡としての可動反射板１５が配設され、可動反射板１５は可変手段としての反射板用シリンダ１６に固定されており、反射板用シリンダ１６を駆動させることにより前後方向（矢印Ｘの方向）に移動される。さらに、可動反射板１５は、それぞれの赤外線ランプヒータ１３から発振される電磁波としての赤外線を集光し、上型１に向けて赤外線を反射させるように配置されている。可動反射板１５の反射面１５ａは、固定反射板１４と同様に、赤外線を集光し反射させるように曲面に形成され、鏡面仕上げされた上に金がコーティングされている。また、可動反射板１５および反射板用シリンダ１６は、赤外線ランプヒータ１３と一対で図示しない機枠に取着されている。
【００１６】
つぎに、上記構成の加熱装置を用いた光学素子成形型の加熱方法を説明する。まず、スリーブ６の中に、上型１、下型２およびガラス素材３を挿入して成形セットＳとし、主軸１０上に成形セットＳを載置する。赤外線ランプヒータ１３による昇温が開始される直前、主軸１０上の成形セットＳは、上型１の下端（成形面１ａ側）が可動反射板１５の下端より上で、かつ下型２の上端が固定反射板１４の上端より下にくるように上下方向の位置が調整されている。また、可動反射板１５の焦点と固定反射板１４の焦点とは、上下方向の同一軸上にあるように配置されている。赤外線ランプヒータ１３により、成形セットＳの昇温を開始する。この時、図５に示すように、固定反射板１４にて反射される赤外線と、可動反射板１５とに反射される赤外線とは、同一軸上に焦点を結ぶ。なお、図５中では、固定反射板１４は可動反射板１５の下方に重なって位置しているため図示されない。
【００１７】
図２に示すように、ガラス素材３の転移点温度である３８１℃以下の温度までは、上型１の温度βと下型２の温度αとは均等な温度で昇温していく。昇温の途中、上型１の温度βと下型２の温度αとが３００℃に到達した時に、気体流入パイプ１２より窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス（本実施の形態では窒素ガスを用いた。）を誘導し、気体流入口１１より石英管７内部に流入させ石英管７内部が非酸化性雰囲気となるようにパージする。ガラス素材３の温度が３８１℃になった時に、反射板用シリンダ１６を駆動させ可動反射板１５を後退させる。後退後、図６に示すように、可動反射板１５により集光された赤外線の焦点は、固定反射板１４により集光された赤外線の焦点より後方に位置する。従って、可動反射板１５により集光され上型１側に反射される赤外線は、下型２に照射される赤外線より拡散されて届く。このため、上型１の昇温速度は、下型２の昇温速度より遅くなり、下型２の温度αの方が上型１の温度βより高くなる。
【００１８】
下型２の温度がガラス素材３の屈伏点４０４℃以上になった時に、加圧棒４に上型１の上面１ｂが接触するまで、主軸１０を上昇させて成形を開始する。成形開始前に上型１の温度βの方を下型２の温度αより低くしていたので、ガラスも上型側の冷却速度が速くなり、図３の斜線部分で示すように、上型１と下型２とに温度差を設けなかったときに生じていた成形品である両凸レンズの熱溜まりが、図４の斜線部分で示すように、本実施の形態による上型１と下型２とに温度差を設けた場合の成形品である両凸レンズの熱溜まりのように小さくなる。
【００１９】
本実施の形態によれば、両面の曲率半径の差が大きく、ガラスに熱分布ができやすい形状のレンズを成形する際に、それぞれの成形型の温度を異なる温度に加熱することができるので、レンズを成形する際に生じる不均等な熱分布を小さくすることができる。これにより、成形されたレンズの内部応力が小さくなり、ヒケ、割れ、残留応力による複屈折の発生などを防止することができる。
【００２０】
（実施の形態２）
図７〜図９は実施の形態２を示し、図７は光学素子成形型の加熱装置の縦断面図、図８は昇温過程における初期の光線の軌跡を示す図、図９は昇温過程における中期以降の光線の軌跡を示す図である。本実施の形態の光学素子成形型の加熱装置は、大部分が実施の形態１と共通のため、異なる部分のみ示し、同一の部材には同一の符号を付し説明を省略する。
【００２１】
図７において、主軸１０の外周には、台２０が配設され、台２０の中央に穿設された貫通穴２０ａに主軸１０が挿入される。台２０の上面２０ｂには、石英管７が立設されている。台２０の上面２０ｂの外縁側には、石英管７の内部を非酸化性雰囲気にするために不活性ガスを流入する気体流入口１１が上方より穿設されている。この気体流入口１１には、気体流入パイプ１２が連設され、不活性ガスを供給する図示しない気体発生装置に接続されている。また、台２０は図示しない機枠に固着されている。
【００２２】
石英管７の外方には、円環状の赤外線ランプヒータ２１が、石英管７の軸心と同心に配設されている。この赤外線ランプヒータ２１の外方には、赤外線ランプヒータ２１から発振した赤外線を、成形セットＳを構成するスリーブ６の内面、上型１の成形面１ａおよび下型２の成形面２ａにより囲繞された空間付近に反射するための４個の反射鏡２２が配設されている。反射鏡２２は、円環を４分割した形状をしており、赤外線ランプヒータ２１から発振された赤外線を平行光とした反射するように、反射面２２ａの曲率半径が設定されている。また、反射鏡２２の背面には可変手段としての突起部２３が凸設され、反射鏡２２の焦点位置が赤外線ランプヒータ２１の円環の位置に合致するように、突起部２３は図示しない機枠に回転自在に支持されている。さらに、突起部２３には、図示しないモータの回転軸が連結され、モータを回転することにより反射鏡２２の回転角度を変化できるように構成されている。
【００２３】
つぎに、上記構成の加熱装置を用いた光学素子成形型の加熱方法を説明する。まず、スリーブ６の中に、上型１、下型２およびガラス素材３を挿入して成形セットＳとし、主軸１０上に成形セットＳを載置する。はじめに、反射鏡２２は、赤外線ランプヒータ２１から発振される赤外線が水平方向に反射されるように回転角度が設定されている。赤外線ランプヒータ２１による昇温が開始される直前、主軸１０上の成形セットＳは、反射鏡２２から反射された赤外線が上型１と下型２とに均等に反射される位置に配置される。赤外線ランプヒータ２１により、成形セットＳの昇温を開始する。この時、図８に示すように、上型１と下型２とには、均等な量の赤外線が反射される。
【００２４】
ガラス素材３の温度が３８１℃になるまでは、実施の形態１で示した工程と同一の工程で実施される。ガラス素材３の温度が３８１℃になった時、図示しないモータを作動させ、反射鏡２２を下方に向ける。反射鏡２２が下方向を向くことにより、図９に示すように、反射鏡２２によって反射される赤外線は下型２に多く反射される。以下の加圧以降の工程は、実施の形態１と同一なので説明を省略する。
【００２５】
本実施の形態によれば、実施の形態１と同様の効果に加え、反射鏡を回転させるのみで、上型と下型とのそれぞれに吸収させる赤外線の量を容易に調整できるので、赤外線ランプヒータや反射鏡の必要数を少なくすることができ、加熱装置の装置構成を簡易にすることができる。
【００２６】
なお、上述の具体的な実施の形態から、次のような構成の技術的思想が導き出される。
（付記）
（１）  対向配置された一対の成形型およびこの成形型間に挿入されたガラス素材を輻射加熱装置と反射鏡とにより加熱する光学素子成形型の加熱方法において、
前記輻射加熱装置から発振され反射鏡により反射される電磁波を、反射鏡の焦点位置を変化させるか、または反射方向を変化させることにより、前記成形型に到達する輻射熱量を一方の成形型と他方の成形型とで異なるように制御して、一対の成形型間に温度差を生じさせながら加熱することを特徴とする光学素子成形型の加熱方法。
両面の曲率半径の差が大きく、ガラスに熱分布ができやすい形状の光学素子を成形する際に、それぞれの成形型の温度を異なる温度に加熱することができるので、光学素子を成形する際に生じる不均等な熱分布を小さくすることができる。これにより、成形された光学素子の内部応力が小さくなり、ヒケ、割れ、残留応力による複屈折の発生などを防止することができる。
（２）  対向配置された一対の成形型間にガラス素材を挿入し、ガラス素材を加熱軟化し、加熱軟化後に押圧成形して所望の光学素子を得る光学素子の成形装置において、輻射加熱装置から発振される電磁波を反射する反射鏡の位置または向きを変化させる反射鏡を具備したことを特徴とする光学素子の成形装置。
両面の曲率半径の差が大きく、ガラスに熱分布ができやすい形状の光学素子を成形する際に、それぞれの成形型の温度を異なる温度に加熱することができるので、光学素子を成形する際に生じる不均等な熱分布を小さくすることができる。これにより、成形された光学素子の内部応力が小さくなり、ヒケ、割れ、残留応力による複屈折の発生などを防止することができる。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の光学素子成形型の加熱方法によれば、両面の曲率半径の差が大きく、ガラスに熱分布ができやすい形状の光学素子を成形する際に、それぞれの成形型の温度を異なる温度に加熱することができるので、光学素子を成形する際に生じる不均等な熱分布を小さくすることができる。これにより、成形された光学素子の内部応力が小さくなり、ヒケ、割れ、残留応力による複屈折の発生などを防止することができる。
請求項２に係る発明の光学素子成形型の加熱装置によれば、請求項１に係る発明の光学素子成形型の加熱方法を容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の光学素子成形型の加熱装置の縦断面図である。
【図２】実施の形態１の上型および下型の昇温パターンを示す図表である。
【図３】実施の形態１の従来の加熱方法による両凸レンズの熱溜まりを示す図である。
【図４】実施の形態１の本実施の形態による両凸レンズの熱溜まりを示す図である。
【図５】実施の形態１の昇温過程における初期の光線の軌跡であって図１のＡ−Ａ′断面図である。
【図６】実施の形態１の昇温過程における中期以降の光線の軌跡であって図１のＡ−Ａ′断面図である。
【図７】実施の形態２の光学素子成形型の加熱装置の縦断面図である。
【図８】実施の形態２の昇温過程における初期の光線の軌跡を示す図である。
【図９】実施の形態２の昇温過程における中期以降の光線の軌跡を示す図である。
【図１０】従来技術の加圧成形装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１  上型
１ａ  成形面
２  下型
２ａ  成形面
３  ガラス素材
１３  赤外線ランプヒータ
１４  可動反射板
【図１】
0003910713.tif 000002
【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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【図７】
0003910713.tif 000008
【図８】
0003910713.tif 000009
【図９】
0003910713.tif 000010
【図１０】
0003910713.tif 000011