JP3387635B2

JP3387635B2 - 光学素子の製造方法

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Publication number: JP3387635B2
Application number: JP17678694A
Authority: JP
Inventors: 潔山本; 剛野村; 雅志真重; 伸行中川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-07-28
Filing date: 1994-07-28
Publication date: 2003-03-17
Anticipated expiration: 2018-03-17
Also published as: JPH0840729A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、凹レンズまたは凹メニ
スカスレンズなどの光学素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、所定の表面精度の成形面を有する
成形用型部材にて、光学素子成形用の素子、例えば、或
る程度の形状および表面精度に予備成形されたガラスプ
リフォームを加熱状態の下でプレス成形し、最終光学素
子成型品とする製造方法が開発され、従来のような研削
および研磨などの後加工を必要としない、高精度の光学
機能面を有する光学素子を得ることができるようになっ
た。

【０００３】一般に、このようなプレス成形による光学
素子の製造方法では、成形用の上型部材と下型部材と
を、それぞれ、成形用胴型部材内に摺動可能に対向配置
し、これら上型部材、下型部材および胴型部材により形
成されるキャビティ内に被成形ガラス素材を導入し、型
部材の酸化防止のために雰囲気を非酸化性雰囲気、例え
ば、窒素雰囲気として、成形可能温度まで型部材を加熱
し、型を閉じ、適宜な時間、プレスして、型部材の成形
面を被成形ガラス素材の表面に転写し、そして、型部材
温度を被成形ガラス素材のガラス転移温度より十分に低
い温度まで冷却し、プレス圧力を除去し、最終的に、成
形用型を開いて、光学素子成形品を取出すのである。

【０００４】なお、型部材内に導入する前に、被成形ガ
ラス素材を適宜の温度まで予備加熱したり、あるいは、
成形可能温度まで加熱してから型部材内に導入すること
もなされている。更に、型部材とともに被成形ガラス素
材を搬送しながら、それぞれ所定の場所で加熱、プレス
および冷却を行う連続作業方式も採用され、光学素子の
成形の高速化も果すことができるようになった。

【０００５】さらに、溶融状態のガラスを流出槽から流
出して、これを直接、成形用型に受けて、光学素子をプ
レス成形することも行なわれている。また、この方法
で、光学素子のプリフォームをプレス成形する製造方法
も採用されている。

【０００６】上記のような光学素子の製造方法は、可成
りの数の特許公報においても、広く開示されているが、
しかし、その殆どが凸レンズの成形に関するものであ
り、凹レンズに関しては、僅かに、特開昭５９−１１６
１３７号公報、特開昭５９−１２１１２４号公報、特開
昭５９−１２１１２６号公報、特開昭５９−１２３６２
９号公報、特開昭６０−１１８６４２号公報に、その実
施例の１つとして開示されているのみである。

【０００７】これら公報に開示された光学レンズは、い
ずれも、単純な凹レンズ形状か、もしくは、光学有効径
の外側に余剰ガラスの逃げ部を残して成形されているも
のである。また、プリフォームの形状も、光学素子の成
形の難易度に大きな影響を及ぼすが、そのような最終成
形品である光学素子の生産性を考慮した、溶融ガラスか
らの、凹レンズ用のプリフォームの製造方法についての
技術的開示は、何処にも見当らない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】一般に、凹レンズの成
形において問題となるのは、プレス成形した時の形状転
写性が悪いことである。その原因は、プレス成形の過程
において、被成形ガラス素材が外径方向に逃げ易いた
め、型部材の成形面とガラスとが接触しなくなること
で、その結果、成型品について、上記成形面の所望の転
写領域までの転写が得られなくなってしまう。

【０００９】上記問題を解決する手段としては、２つ考
えられる。第１には、プレス成形中に被成形ガラス素材
の外径方向への展延を規制することであり、第２には、
使用するプリフォームの形状を、できる限り、所望の光
学素子に近づけて置くことである。

【００１０】第１の手段としては、上・下型部材を囲む
胴型の内周面で、成形過程の被成形ガラス素材の外周部
を抑え、成形結果としてのレンズ外径を規制して、その
被成形ガラス素材の外周部での、成形面に対する転写圧
力を確保する方法があるが、この場合には、上・下型部
材と胴型との摺動部分に形成される間隙にガラスが入り
込み、成形後の光学素子（レンズ）の、成形用型からの
取り出しの際に、その一部が欠けたり、これによって生
じた破片で、成形面を傷つけ、型寿命を短縮するなどの
悪影響がある。

【００１１】凹レンズを対称とはしていないが、転写性
を良くするために、プレス成形中に成形品側面部をプレ
スして、形状精度を良くする方法として、特開昭６０−
１７１２３５号公報、特開昭６３−１７６３１９号公報
などに記載の方法が知られている。

【００１２】これらは、いずれも、シリンダーの加圧力
で、側面加圧部材を機械的に被成形ガラス素材の外径部
に押しつけ、外周方向へのガラスの拡がりを規制するも
のである。しかし、この場合も、前述のように、側面加
圧部材と上・下型部材との間隙にガラスが入り込んで、
ガラスが割れる原因となるなどの不都合がある。また、
側面加圧部材とガラスとの融着や反応を防ぐために、側
面加圧部材の材質が制限され、また、機構的に複雑な装
置となってしまう問題点があった。

【００１３】第２の手段としては、プリフォームの形状
が最終成形品の形状精度に大きな影響を及ぼす点を考慮
して、プリフォームの形状を、できる限り、最終成形品
の形状に近似させるのであるが、この場合には、最終成
形の時、型部材にプリフォームを乗せた時の安定性を考
えると、少くとも、片面が凹形状のプリフォームとなっ
ていることが望ましい。そこで、流出槽から流出した溶
融ガラスを受けて、プリフォームを作る時に、受けたガ
ラスを、別の型部材で予めプレス成形させることも考え
られるが、その際にも、プレス成形中のガラス素材が外
径方向に逃げる傾向があった。これに対して、第１の手
段と同様に、成形過程でのガラス素材側面を規制するこ
とが有効であるが、ガラスの温度が高いため、機械的に
規制することは、ガラスの割れや融着といった問題がよ
り起こり易い。

【００１４】このように、凹レンズや凹メニスカスレン
ズなどの光学素子成形品において、形状転写性を良くす
るために、型部材の成形面における所望の転写領域に対
して被成形ガラス素材の接触圧を確保することが重要で
あるが、上記の問題点を解決することも必要である。

【００１５】

【発明の目的】本発明は、上記事情に基づいてなされた
もので、気体の圧力を利用して、機械的にガラスの変形
に規制を与えることによる、ガラス素材の割れ、融着と
いった問題を回避し、しかも、必要な光学機能面の転写
性を確保できるようにした光学素子の製造方法を提供す
ることを目的とするものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】このため、本発明では、
加熱軟化したガラス素材を、対向する成形面を有する成
形用型部材間でプレス成形して、光学素子を製造する方
法であって、プレス成形の過程において、被成形ガラス
素材の外周部に存在する自由表面に対して気体を噴射
し、その圧力で、少なくとも型部材の成形面の転写領域
に対して、該被成形ガラス素材を当接させることを特徴
とする。

【００１７】この場合、上記気体は、少なくとも、１ｋ
ｇ／ｃｍ²以上の圧力で噴射されることが望ましい。ま
た、上記気体は、型部材の成形面の転写領域に対して、
被成形ガラス素材を当接する際、ガラス素材の展延し易
い部分に集中するように噴射されるようにしても良い。
なお、被成形ガラス素材がプリフォームであり、プレス
成形の過程で光学素子を成形する際には、上記気体は不
活性ガスで構成されている方が良く、また、被成形ガラ
ス素材が流出槽から流出する溶融ガラスであり、型部材
に受けた上記溶融ガラスを所要の光学素子のプリフォー
ムに成形する際には、上記気体は、プレス成形温度にお
いて、少なくともガラスもしくは成型用型部材の表面に
対して化学的変化を実質的に与えない不活性ガス、大気
などのガスで構成されていると良い。

【００１８】

【実施例】

（第１の実施例）図１は本発明の一実施例を示してお
り、ここで、符号１０１は被成形ガラス素材（後述）か
ら成形された状態の光学素子成形品、１０２は上型部
材、１０３は下型部材、１０４は内周部に噴射口を備え
た、ドーナツ形をした気体の管状噴射部材、１０５は噴
射部材内部の気体を加熱するヒーターである。図２は噴
射部材１０４を平面的に示したもので、そこに示す符号
１０６は気体の注入口である。

【００１９】図３には、従来の成形の状態が模式的に示
されており、ここでは、従来方式による成形完了状態の
光学素子成形品１０７が、所望の転写領域まで転写され
ていない状態で示されている。

【００２０】これに対して、本発明に係わる成形法で
は、図４に示すように、成形用下型部材１０３の上に載
せられた被成形ガラス素材１０９は、事前にヒーター１
０８で所要の温度に加熱される。ここでは、光学素子の
ガラス素材として、ＳＫ１２（ｎｄ＝１．５８４２８：
νｄ＝５９．６：Ｔｇ＝４９７℃：Ａｔ＝５２６℃）を
用いて、予め、上述のガラス素材１０９（ガラスプレフ
ォーム）を作成した。そして、光学素子として、曲率半
径Ｒ₁＝Ｒ₂＝３０ｍｍ、中心厚＝１ｍｍ、外径＝φ１
５ｍｍの両凹面レンズを成形する。これを成形する上・
下型部材の成形面は外径＝φ２０で、曲率半径Ｒ₁≡Ｒ
₂≡３０ｍｍの凸形状である。

【００２１】図４に示すように、型部材の温度を５２６
℃に保持し、下型部材の成形面上に載置したガラス素材
１０９を、ヒーター１０８の加熱によって、６３０℃
（ガラス粘度で１０⁷ｄＰａＳに相当する温度）に加熱
した。次に、ヒーター１０８を型部材間から外方に待避
させてから、上型部材を下降させ、プレス成形を行っ
た。ガラスの成形が始まると同時に、噴射部材１０４の
噴射口から高温のＮ₂ガスを噴射し、図１に示すよう
に、その噴射圧力で、被成形ガラス素材の外周部を押
し、少なくとも型部材１０２、１０３の成形面における
所望の転写領域に上記外周部を展延し、接触させた。

【００２２】なお、この際のＮ₂の噴射圧力は、１ｋｇ
／ｃｍ²以上、好ましくは、１ｋｇ／ｃｍ²〜５ｋｇ／ｃ
ｍ²に設定されており、また、その温度は、噴射口に設
けたセンサーで検出されるが、例えば、６００℃（これ
は被成形ガラス素材の温度より若干低い）に設定した。
噴射圧力の設定理由は、１ｋｇ未満では十分な変形が与
えられず、５ｋｇを超えると変形スピードが早すぎてコ
ントロールし辛くなる点にある。

【００２３】そして、プレス成形終了後、Ｔｇに温度降
下されるまで、冷却を行ない、その後、プレス圧力を解
除して、光学素子成形品を取出した。その結果、成形品
は両面とも光学的有効径を越えた外径＝φ１６迄、型部
材の成形面から転写されており、これを直径＝φ１５に
芯取りすることで、所望の両凹面レンズが得られた。（比較例１）実施例１において、本発明製造方法を使用
せずに、図３に示す従来の成型方法で被成形ガラス素材
（本発明と同じ素材、成形温度などの条件で）をプレス
成形した場合を比較例として挙げる。ここでは、型部材
間から取り出した光学素子成形品１０７は、その外周部
において、型部材の成形面の所望の転写領域が完全に転
写されておらず、両凹面共に、その実質転写外径＝φ１
２であって、所望の直径＝φ１５を得ることができなか
った。（実施例２）図５には、本発明の第２の実施例が示され
ており、図中、符号２０１は被成形ガラス素材から成形
された状態の光学素子成形品、２０２は上型部材、２０
３は下型部材、２０４はドーナツ形の、気体の管状噴射
部材、２０５はその内部気体を加熱するためのヒーター
である。これに対して、図６は従来の成形方法における
プレス成形の状態を示しており、図中、符号２０６は、
その結果の従来の光学素子成形品である。

【００２４】本発明の製造方法では、図７に示すよう
に、下型部材に載せられた被成形ガラス素材２０８は、
第１の実施例と同様に、ヒーター２０７によって、事前
に加熱される。そして、次に、ヒーター２０７を型部材
間から外方に待避させてから、上型部材を下降させ、プ
レス成形を行った。ガラスの成形が始まると同時に、噴
射部材２０４の噴射口から高温のＮ₂ガスを噴射し、図
５に示すように、その噴射圧力で、被成形ガラス素材の
外周部を押し、少なくとも型部材２０２の成形面におけ
る所望の転写領域に上記外周部を展延し、接触させた。

【００２５】この結果、得られた光学素子成形品２０９
は、図８に示すように、Ｒ₁＝１０（凹）、Ｒ₂＝７０
ｍｍ（凸）、外径＝φ２１ｍｍ、Ｒ₁面の径＝φ１９ｍ
ｍ、中心厚＝２ｍｍの凹メニスカスレンズである。な
お、この場合の光学素子の被成形ガラス素材としては、
ＬａＫ１２（ｎｄ＝１．６７７９０：νｄ＝５５．３：
Ｔｇ＝５５４℃：Ａｔ＝５９６℃）が用いられ、これ
を、事前に、図７に示すようなガラスプレフォーム２０
８の形に予備成形するのである。また、この型部材２０
２、２０３によるプレス成形に際しては、図７に示すよ
うに、型部材の温度を５５４℃に保持し、下型部材上に
載置したガラス素材２０８をヒーター２０７の加熱によ
って６８０℃（１０^6.5ｄＰａＳ相当）に加熱した。

【００２６】以後のステップは、前述の通りである。な
お、この実施例では、光学素子成形品を成形する過程
で、被成形ガラス素材の外周に対しては、型部材２０３
のＲ₂面に近い部分に集中してＮ₂ガスを噴射した。こ
れは、この実施例のようにＲ差の大きい形状において
は、Ｒの大きい側の成形面に沿って、ガラスが容易に展
延するため、Ｒの小さい側の成形面の転写領域に対して
十分なガラスの展延が期待できず、転写性が低下するの
を防ぐ必要があるからである。

【００２７】そして、プレス成形が終了し、ガラス温度
が均一化するのを待って、プレス圧力を解除して、光学
素子成形品を取出し、その後、成形品２０１を芯取りす
ることで、所望の外径のレンズ２０９が得られた。（比較例２）実施例２において、本発明の製造方法を使
用せず、従来の製造方法でプレス成形を行なった状態が
図６で示してある。ここでは、成形の過程で被成形ガラ
ス素材の外周部がＲの大きい側に偏って流れ、その結
果、取出した成形品２０６は、型部材の成形面の転写領
域が十分に転写されず、Ｒ₁＝φ１４、Ｒ₂＝φ２４で
あって、Ｒ₁面側の転写性が満足されず、所望のレンズ
を得ることができなかった。（実施例３）図９〜図１１は、本発明の第３の実施例を
表わしており、ここで、符号３０１は流出槽（図示せ
ず）から流出ノズル３０３を介して、直接、溶融ガラス
を下型部材３０２に受けた際のガラス塊であり、３０４
は上型部材３０５の降下により成形されるプリフォー
ム、３０７は、その後、気体の噴射部材３０６からのガ
スの噴射で、所望の転写領域まで外周部を展延されたプ
リフォームである。

【００２８】なお、ここでは、光学素子の被成形ガラス
素材として、第１の実施例と同じＳＫ１２を用いる。ま
た、下型部材の温度は５００℃に保持され、下型部材の
上に滴下した瞬間の溶融ガラス３０１の温度は９００℃
であった。

【００２９】ここでは、その後、直ちに、下型部材３０
２をプレス位置まで移動し、そこで上型部材３０５によ
りプレス変形させ、最初のプリフォーム３０４の形状ま
で変形させる。さらに、噴射部材３０６から高温エアー
（大気成分）を噴射し、プリフォームの外周に当て、そ
こに、プリフォーム３０７に示すような凹面を形成し
て、上・下型部材の成形面の転写領域に対してプリフォ
ーム３０４の外周部を展延し、十分な転写性を発揮した
プリフォームを得た。

【００３０】このようにして得られたプリフォーム３０
７は、従来のように、気体の噴射をしない成型方法によ
るプリフォーム３０４（図１０を参照）に比べて、上下
面の転写領域が異なり、最終の光学素子成形品における
光学機能有効径を十分確保できることになる。（実施例４）図１２は、本発明の第４の実施例を示す図
であり、ここで、符号４０８は、ガラス素材の外周部に
対応して設けられる左右一対の直管状噴射部材３０６と
は別の気体の噴射管であり、また、４０９は下型部材の
上に滴下された溶融ガラスからのプリフォームである。
例えば、図９において、溶融ガラス３０１を滴下した
後、ただちに下型部材３０２を本成形のための所要のプ
レス成形位置に移動する前に、噴射管４０８の下に移動
し、ここからの高温エアーの噴射で、その気体圧力によ
り、溶融ガラス３０１の表面を凹面とし、さらに噴射部
材３０６からのエアー圧力で、被成形ガラスの外周面を
変形させ、プリフォーム（凹メニスカスレンズのため
の）４０９を得るのである。

【００３１】このプリフォーム４０９は、前述のプリフ
ォーム３０７に比べ、その凹面が上型に接触していない
ために、表面が滑らかであり、プリフォームとしては、
より好ましいものであった。

【００３２】なお、本発明で最終成形品を成形する際に
使用する気体には、不活性ガスとして、Ｎ₂ガスを挙げ
たが、その他、アルゴンガス等も採用できる。また、プ
リフォームの際には、プレス成形温度において、少なく
ともガラスもしくは成型用型部材の表面に対して化学的
変化を実質的に与えないなら、大気と同じ成分のガス、
即ち、エアーを噴射気体に採用することができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、以上詳述したようになり、加
熱軟化したガラス素材を、対向する成形面を有する成形
用型部材間でプレス成形して、光学素子を製造する方法
であって、プレス成形の過程において、被成形ガラス素
材の外周部に存在する自由表面に対して気体を噴射し、
その圧力で、少なくとも型部材の成形面の転写領域に対
して、該被成形ガラス素材を当接させるので、凹レンズ
や凹メニスカスレンズのような光学素子を成形する際
に、成形状態において、その被成形ガラス素材の外周部
に存在する自由表面を、機械的な接触無しで、望ましい
形状に変化させ、成形型の成形面の所要の転写領域に対
して、十分な展延、接触を果たし、必要な光学機能有効
径を確保した光学素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る成形方式（成形完
了時）を示す図である。

【図２】図１において型部材を省略して示す平面図であ
る。

【図３】第１の実施例の比較としての従来例を示す図で
ある。

【図４】第１の実施例に係る成形方式（成形前）を示す
図である。

【図５】本発明の第２の実施例に係る成形方式（成形完
了時）を示す図である。

【図６】第２の実施例の比較としての従来例を示す図で
ある。

【図７】第２の実施例の成形方式（成形前）を示す図で
ある。

【図８】第２の実施例で作成する凹メニスカスレンズの
形状を示す図である。

【図９】本発明の第３の実施例に係る成形方式（ガラス
流出時）を示す図である。

【図１０】第３の実施例に係る成形方式（上型プレス
時）を示す図である。

【図１１】第３の実施例に係る成形方式（成形完了時）
を示す図である。

【図１２】本発明の第４の実施例を示す図である。

【符号の説明】１０１成形品１０２上型部材１０３下型部材１０４気体の噴射部材１０５ヒーター１０６気体注入口１０７従来の成形品１０８ヒーター１０９ガラス素材２０１成形品２０２上型部材２０３下型部材２０４気体の噴射管２０５ヒーター２０６従来の成形品２０７ヒーター２０８ガラス素材２０９光学素子３０１プリフォーム（ガラス塊）３０２下型部材３０３流出ノズル３０４プリフォーム３０５上型部材３０６気体の噴射部材３０７プリフォーム４０８気体の噴射管４０９プリフォーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中川伸行東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (56)参考文献特開平４−367525（ＪＰ，Ａ) 特開平２−133326（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C03B 11/00 C03B 11/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱軟化したガラス素材を、対向する成
形面を有する成形用型部材間でプレス成形して、光学素
子を製造する方法であって、プレス成形の過程におい
て、被成形ガラス素材の外周部に存在する自由表面に対
して気体を噴射し、その圧力で、少なくとも型部材の成
形面の転写領域に対して、該被成形ガラス素材を当接さ
せることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】前記気体は前記プレス成形の過程におい
て、前記被成形ガラス素材の最も展延し易い部分に集中
するように噴射されることを特徴とする請求項１に記載
の光学素子の製造方法。
【請求項３】前記被成形ガラス素材がプリフォームで
あり、前記プレス成形の過程において、前記気体は不活
性ガスで構成されていることを特徴とする請求項１に記
載の光学素子の製造方法。