(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス素材を加熱軟化して上下一対の成形型で押圧し、所望の面形状を得る光学素子成形方法において、
ガラス素材と上下一対の成形型を加熱する加熱工程と、加熱軟化したガラス素材を上記成形型間で押圧成形する押圧工程と、成形したガラスと成形型を冷却する冷却工程を有し、
上記冷却工程で上記ガラスの温度が転移点まで降温した付近より、上記成形型を上記ガラスから離れる方向に引張り始めることで、上記成形型に引張り力を作用させると共に、上記上下一対の成形型の型温度を異ならせて、上記ガラスを上記成形型から離型することを特徴とする光学素子成形方法。
【請求項２】
上記押圧工程においては上下の型温度を異ならせること、上記冷却工程においては型冷却速度を上下で異ならせることの少なくともどちらか一方の条件を含むことを特徴とする請求項１記載の光学素子成形方法。
【請求項３】
上記冷却工程で上下一対の成形型に作用させる引張り力は、少なくとも０より大きく、上記ガラスと上記成形型が離れるまで、設定された値で保持することを特徴とする請求項１記載の光学素子成形方法。
【請求項４】
上記冷却工程において、上下一対の成形型の温度を異ならせて上記ガラスを冷却し、このガラスが転移点以下になった時点で上下の冷却速度差が大きくなるよう方向に冷却条件を変更、あるいは上下一対の成形型を等温で上記ガラスを冷却し、このガラスが転移点以下になった時点で上記上下一対の成形型の冷却速度差が異なるように冷却条件を変更することを特徴とする請求項１記載の光学素子成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス素材を用い、加熱軟化したガラス素材を一対の成形型により押圧成形して光学素子を製造する光学素子成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガラス光学素子には非球面や自由曲面が多様され、その製造方法には加熱軟化したガラス素材を型により押圧して所望の形状に形成し、このガラスを冷却固化して型から取り出してガラス光学素子を得る成形が利用されている。ガラス成形の技術は大きく進歩しており、多様なニーズに応えられるようになっている。しかし、成形技術に対しては、まだ課題が多くあった。
【０００３】
例えば、成形に用いる型によってはガラスとの固着が激しくなり、冷却固化したガラスに割れが生じたりするため、型の成形面への成膜技術等が必要であり、特開２０００−１９１３３０号公報や特開２０００−１８５９２６号公報にはガラスと型との固着を低減するために膜材料や表面粗さで対応することが効果的であることが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガラスと型との固着力を低減しても、ガラスと型との離型時にあってもガラスと型とは固着している状態であるため、型膜の改良や表面粗さの改良だけでは成形したガラスの割れを完全に防止することができなかった。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、型膜の改良や表面粗さの改良だけでは対応できない、または型膜の改良や表面粗さの改良がなくても光学素子に割れが生じない光学素子成形方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
ガラスの割れが発生することに関しては、検討の結果、ガラスと型が密着したまま冷却工程において径方向への収縮が行われるためであることがわかった。つまり、線膨張係数の違うガラスと型が密着したままで収縮することで両者に応力が発生し、強度の弱いガラスに割れが生じるためである。型膜や表面粗さで割れを防止することは密着力を低減するという点では一定の効果は得られるものであるが、十分ではなかった。そこで、本発明では径方向への収縮がガラスと型を離型してから実施されるようにすることをその解決手段とした。
【０００７】
本発明の第１の発明は、ガラス素材を加熱軟化して上下一対の成形型で押圧し、所望の面形状を得る光学素子成形方法において、ガラス素材と上下一対の成形型を加熱する加熱工程と、加熱軟化したガラス素材を上記成形型間で押圧成形する押圧工程と、成形したガラスと成形型を冷却する冷却工程を有し、上記冷却工程で上記ガラスの温度が転移点まで降温した付近より、上記成形型を上記ガラスから離れる方向に引張り始めることで、上記成形型に引張り力を作用させると共に、上記上下一対の成形型の型温度を異ならせて、上記ガラスを上記成形型から離型することを特徴とする。
【０００８】
第１の発明によれば、成形したガラスを転移点まで冷却して固化し、上下一対の成形型に引張り力を作用させてガラスとの離型を行う。この際、上下一対の成形型の温度を異ならせてガラスに反りを生じさせ、離型を容易にする。型温の差は、成形したガラスの転移点までの冷却の際に生じさせてもよいし、転移点まで冷却した後に生じさせてもよい。
【０００９】
すなわち、ガラスと型は高温状態では非常に強固に密着しており、容易には離れない。その密着を解消するために、本発明ではガラスの反りの力により生じる型とガラスの隙間を利用する。反りは、上下の成形型の温度差を介してガラスの上下に温度差を生じさせて発生させる。このとき反りによる密着力の低減を有効に利用できるように、型には一定の引張り力を作用させておく。転写精度を確保できるように、引張り力はガラスが転移点付近で固化してからの作用とする。そして、ガラスの反りの発生で、ガラスと上下の成形型との密着力が低下して引張り力が勝ったときに離型が生じる。引張り力はガラスの破壊強度を超えないように設定する。すなわち、力で離型できるポイントでガラスと型の密着を効果的に開放してやることで、密着したまま径方向の収縮が作用してガラス表面に働く応力が割れの作用する値を超えることをなくするものである。このようにすることで、ガラスの割れを防止することができる。
【００１０】
本発明の第２の発明は、第１の発明にあって、上記押圧工程においては上下の型温度を異ならせること、上記冷却工程においては型冷却速度を上下で異ならせることの少なくともどちらか一方の条件を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第３の発明は、第１の発明にあって、上記冷却工程で上下一対の成形型に作用させる引張り力は、少なくとも０より大きく、上記ガラスと上記成形型が離れるまで、設定された値で保持することを特徴とする請求項１記載の光学素子成形方法。
【００１２】
本発明の第４の発明は、第１の発明にあって、上記冷却工程において、上下一対の成形型の温度を異ならせて上記ガラスを冷却し、このガラスが転移点以下になった時点で上下の冷却速度差が大きくなるよう方向に冷却条件を変更、あるいは上下一対の成形型を等温で上記ガラスを冷却し、このガラスが転移点以下になった時点で上記上下一対の成形型の冷却速度差が異なるように冷却条件を変更することを特徴とする請求項１記載の光学素子成形方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。図１は本実施の形態に用いる成形装置の押圧部を示す断面図で、押圧が完了した状態を示している。
【００１４】
押圧部には、上下に対向する一対の上型１と下型２がそれぞれ上型固定具３と下型固定具４にて上軸５と下軸６に固定されている。上型固定具３の先端（図において下端）は上型１の成形面１ａよりも下方に突出し、下型固定具４の先端（図において上端）は下型２の成形面２ａよりも上方に突出しており、上型１と下型２によりガラス（ガラス素材）１０を押圧する際、上型固定具３と下型固定具４の先端が当接することで成形する光学素子の厚さを規制できるようになっている。また、上型固定具３には、上型固定具３の先端より突出するピン９が上下方向に固設されるとともに、下型固定具４にはピン９の突出部が挿入される孔４ａが上下方向に穿設されており、このピン９により上型１と下型２は同軸上に設定されるように構成されている。
【００１５】
下軸６は図示しないサーボモーターにて上下動自在であり、下軸６の上動によって上昇される下型２により上型１との間でガラス１０を押圧可能にしてある。サーボモーターはトルク制御により、設定荷重での上下動制御が可能である。
【００１６】
上型１と下型２は、密閉空間にあり、密閉空間の雰囲気を窒素置換により酸素濃度１０ｐｐｍ以下に制御可能になっている。さらに、上型１と下型２は、図示しない赤外線ランプヒーターにて、上型固定具３に埋設した上温度センサ７と下型固定具４に埋設した下温度センサ８を介して、加熱制御できるように構成されている。上軸５には上冷却溝１１が設けられるとともに、下軸６には下冷却溝１２が設けられており、上冷却溝１１および下冷却溝１２に流す窒素により上型１および下型２の冷却制御が可能となっている。
【００１７】
本実施の形態では、ガラス素材にモールド用ランタン系ガラスを用い、光学素子として非球面形状を有する両凹レンズの成形を行った。両凹レンズの概略形状は、外径φ２５、凹面曲率半径４０ｍｍと４８０ｍｍで中肉は１．５ｍｍである。上型１には曲率半径４０ｍｍからなる凸状の成形面１ａを設け、下型２には曲率半径４８０ｍｍからなる凸状の成形面２ａを設けた。そして、上型１および下型２は超硬基材を研磨して、表面に貴金属系の膜を施したものを使用した。
【００１８】
以下、上記構成の成形装置により光学素子の成形の手順を述べる。
あらかじめ研削研磨で近似形状に加工されたガラス１０を下型２の成形面２ａ上に載置し、下型２をサーボモーターで上昇させ上型１の成形面１ａとガラス１０が当接しない程度に近づける。密閉空間の窒素置換が完了し、その雰囲気の酸素濃度が１０ｐｐｍ以下になったら、赤外線ランプヒーターにて上型１と下型２およびガラス１０の加熱を開始する。上温度センサ７と下温度センサ８で赤外線ランプヒーターの出力制御し、ガラス１０が粘度で１０１０ｄＰａ・ｓ付近の温度（６００℃）になったらサーボモーターにより下型２を上昇させ、上型１との間でガラス１０のプレスを行い、図１のように上型固定具３の先端と下型固定具４の先端を当接させて押圧変形を完了させる。
【００１９】
その後、押圧の荷重は解除し、成形したガラス（以下、成形ガラスという）１０の冷却を開始するが、ここでは離型補助の反りを成形ガラス１０に生じさせるために、上型１と下型２に温度差をつけて成形ガラス１０を冷却する。離型補助の反りのためには、押圧時にあらかじめ上型１と下型２の設定温度を異ならせておくことも有効である。
【００２０】
本実施の形態では、上型１の成形面１ａが曲率半径の小さい凸状であるため、成形ガラス１０の反りで成形面１ａへの食い付きが懸念されるため、離型のための成形ガラス１０の反りは下型２側に曲がるように、下型２の冷却速度を上型１より遅くした。上型１は上冷却溝１１に４０ｌ／ｍｉｎの窒素を流して約０．７℃／ｓｅｃの速度で冷却し、下型２は下冷却溝１２に３０ｌ／ｍｉｎの窒素を流し約０．６℃／ｓｅｃの速度で冷却した。下型２が転移点付近（５６０℃）まで冷却されるのに約１分で、上型１と下型２の温度差は、押圧時は等温状態であったので約６℃差が生じ、それにつれて成形ガラス１０の上下面側においても温度差が発生した。この時点で成形ガラス１０はほぼ固化が終了している。
【００２１】
そこで、離型のための荷重を作用させても、成形ガラス１０の転写精度の劣化がないので、サーボモーターにより下型２を下降させる方向に１０Ｋｇｆ／ｓｅｃの速度で約１００Ｋｇｆの引張り力を作用させた。この時点ではまだ、上型１および下型２と成形ガラス１０との密着力が勝っており、成形ガラス１０の離型は起こらない。そこで、反りの作用が拡大するように、上型１を、上冷却溝１１に１５０ｌ／ｍｉｎの窒素を流すことで、約１．５℃／ｓｅｃの速度で冷却するようにする。その結果、成形ガラス１０の反りの量が増えることで密着力が減少し、成形ガラス１０は約１０秒後に両型１，２から離型した。離型時は上型１の温度５４３℃、下型２の温度５５４℃で温度差は１１℃であった。得られた成形ガラス１０には割れの発生もなく、良好な光学素子を得ることができた。
【００２２】
離型する時間には若干のばらつきが生じるが、その誤差は１０秒程度である。引張り力に関してはガラス形状によっても変わるが、本実施の形態のような両凹レンズの場合はコバ厚もあり、引張り力は大きくしてもそれが原因で割れが発生することはないが、形状に応じて変更する必要がある。
【００２３】
これまでは、押圧後は型とガラスを適宜離型温度まで冷却し、離型させていたが、成形ガラスには割れが発生していた。しかしながら、本実施の形態の成形方法により離型することで、特にこれまでと同様の型を使用しても割れを防止することができるようになったものである。
【００２４】
（実施の形態２）
本実施の形態では、両凸レンズの成形を行った。成形装置の構成は、上型と下型の成形面形状を成形する両凸レンズに対応して凹状とした点を除いて、実施の形態１と同様であるので説明を省略し、以下の説明においては図１を用いる。
【００２５】
本実施の形態では、ガラス素材にモールド用クラウン系ガラスを使用し、光学素子の形状は凸面曲率半径３３ｍｍと６８ｍｍの非球面形状を有しているもので、中肉５ｍｍ、外径φ２５である。上型１には曲率半径３３ｍｍの凹状の成形面１ａを設け、下型２には曲率半径６８ｍｍの凹状の成形面２ａを設けた。この上型１および下型２は超硬基材を研磨して、表面に貴金属系の膜を施したものを使用した。
【００２６】
以下、上記構成の成形装置により光学素子の成形の手順を述べる。
あらかじめ研削研磨で近似形状に加工されたガラス１０を下型２の成形面２ａ上に載置し、下型２をサーボモーターで上昇させ上型１の成形面１ａとガラス１０が当接しない程度に近づける。密閉空間の窒素置換が完了し、その雰囲気の酸素濃度が１０ｐｐｍ以下になったら、赤外線ランプヒーターにて上型１と下型２およびガラス１０の加熱を開始する。本実施の形態で成形するレンズは両凸形状なので、冷却時にガラス１０の上型１または下型２への線膨張差による食い付きの心配はないので、ほぼ同等の上温度センサ７と下温度センサ８を介してガラス１０の粘度で１０９．５ｄＰａ・ｓ付近の温度（５７８℃）となるように赤外線ランプヒーターの出力制御し、狙いの温度になったら下型２をサーボモーターにより上昇させてガラス１０を上型１との間でプレスを行い、上型固定具３と下型固定具４の先端を当接させて押圧変形を完了させる。
【００２７】
冷却工程においても、上型１は上冷却溝１１に４０ｌ／ｍｉｎの窒素を流し約０．７℃／ｓｅｃの速度で冷却するとともに、下型２を冷却する下冷却溝１２に４０ｌ／ｍｉｎの窒素を流して下型２を約０．７℃／ｓｅｃの速度で冷却し、上型１と下型２を同等の冷却速度で冷却した。ガラス１０の転移点相当付近の温度（５２７℃）まで低下した時点で、離型のための引張り荷重を下型２を下降させる方向にサーボモーターを稼動し、下型２に対して１０Ｋｇｆ／ｓｅｃの速度で２０Ｋｇｆ作用させた。荷重値は、両凸レンズのコバ厚が薄く割れやすいため、低めに設定した。この時点では離型できないので、同時に、離型補助の反りのために上型１の冷却速度を速めるため、上冷却溝１１に流す窒素流量を１５０ｌ／ｍｉｎに増加した。これにより、約５秒後に成形ガラス１０の離型が可能となった。成形ガラス１０は割れることなく、成形を完了できた。このときの上型１の温度は５１９℃、下型２の温度は５２３℃であった。
【００２８】
このように、両凸形状で、型と成形ガラスの食い付きの問題がなく、密着力の少ない形状の場合は、成形中は上型１と下型２が押圧中に等温で、冷却工程でも転移点付近まで等温で冷却し、引張り荷重を作用させてから上型１と下型２に温度差を生じさせることで、容易に成形ガラス１０の離型を実現して、径方向の収縮による割れのない光学素子を得ることができる。このような成形ができる形状の場合は、成形中のガラスのひずみが少なくなり、より均質な光学素子が得られる。
【００２９】
密着低減の方法は、反り発生が基本的な要因であるが、そのために発生させる温度差については、密着力の強さ、形状、作用させる引張り力等との相互作用であり、方法は様々である。成形する光学素子が割れやすい形状の場合は本実施の形態のように引張り荷重は小さく設定するものである。例えば、微小径のレンズの場合は、引張り力は数１００ｇの設定で本発明の効果が得られる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１，２および請求項４の光学素子成形方法によれば、少なくとも離型時に上下一対の成形型に温度差を生じさせてガラスに反りを発生させるように成形条件の変更してガラスと成形型との密着力を低減し、容易に割れのない光学素子を成形することができる。
【００３１】
本発明の請求項３の光学素子成形方法によれば、ガラスが固化した後、成形型にガラスの形状に応じて設定した値の引張り力を作用させることで、成形条件の変更により生じるガラスの反りによってガラスと成形型との密着力が引張り力より低減したときに離型することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の実施に用いる成形装置の押圧部を示す断面図である。
【符号の説明】
１  上型
１ａ，２ａ  成形面
２  下型
３  上型固定具
４  下型固定具
５  上軸
６  下軸
７  上温度センサ
８  下温度センサ
９  ピン
１０  ガラス（または成形ガラス）
１１  上冷却溝
１２  下冷却溝
【図１】
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