JP4232305B2 - 精密ガラス光学素子の製造方法およびその方法を用いた精密ガラス光学素子の製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金型によりガラスプリフォームを成形することにより精密ガラス光学素子を製造する方法とその方法を用いた精密ガラス光学素子の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密ガラス光学素子（モールド光学素子）を製造する方法としては、ガラスプリフォームを上下の金型間で加熱し、加圧成形した後、ガラスプリフォームを金型内に保持した状態で冷却する方法がよく知られている。このような方法における加熱は、加熱ヒーター等を用いて金型の周辺から行ったり、金型の外周に胴型を配置し、当該胴型の周りにコイルを巻き、当該コイルに電流を流して高周波を発生させることにより胴型を加熱する誘導加熱を行うことが一般的である。そのような加熱手段を用いると、熱は金型外周面から金型に伝導するため、金型成形面を均一に加熱することはできなかった。このため、金型成形面の中心部の温度が周辺部より低い温度分布で成形していた。また、成形後、冷却する際にはガラスプリフォームを金型内に保持した状態で冷却することが一般的であるが、金型はその外周面から放熱されるため、金型成形面の中心部の温度が周辺部より高い温度分布で冷却していた。
【０００３】
しかしながら、このように成形時および／または冷却時において、金型成形面に温度分布が生じていると、得られる光学素子の面精度が安定しないという問題があった。ガラスプリフォームは通常、ガラス転移点以上に加熱され、そのような温度での温度の変化に対するガラスの線膨張の変化は顕著であるため、成形工程および冷却工程（特にガラス転移点までの冷却工程）における金型成形面での温度分布の大きさがそのまま面精度の安定性に影響することが原因と考えられる。本明細書中、面精度が安定しないとは、光学素子転写面の部位によって面精度が著しく異なることをいう。
【０００４】
そこで、特開平７−１０５６４号公報では、胴型自体に熱流をコントロールする断熱層を設けて金型の温度分布を低減する試みがなされているが、温度分布を効率的に低減することは困難であり、成形サイクルが著しく長くなるという新たな問題が生じていた。
【０００５】
一方、金型を用いたガラス素子の成形では、金型の劣化や金型とガラスの融着を防止するために、加熱時および成形時、系中を非酸化性ガスで置換することがよく行われている。置換手段を図８を用いて説明する。図８（Ａ）は従来の光学素子の成形装置の概略構成図を示し、当該装置は上下金型（２、５）および上下胴型（３、６）から構成され、通常、さらに上下断熱層（１８、１９）、上型ベース１１および下型ベース１２を含んでなり、系はチャンバー９によって外気と遮断されている。このような装置においては、上記ガスを系内に供給するために、垂直路２０が上型ベース１１および上断熱層１８、ならびに下型ベース１２および下断熱層１９を貫通してそれらの軸上に形成され、金型における成形面と反対側（以下、非成形面側という）には水平路２１が上記垂直路２０と連結して半径方向に形成されており、水平路２１の他方はチャンバー９内の空間と連結している（図８（Ｂ）参照）。図８（Ｂ）は図８（Ａ）における水平面Ｘの概略断面図を示す。非酸化性ガスの供給に際しては、加熱前、一旦、図８中、上から下に向かってガスを流して系中にガスを充填し、加熱時および成形時にはガスを継続して垂直路２０に導入し、図中の矢印方向のガス流が形成されていた。
【０００６】
しかしながら、上記のようなガスの流れでは、導入されたガスはまず、金型の非成形面（２５、２６）に衝突し、その後チャンバー内の空間に達するため、金型の非成形面の中心部が冷却され、前記した加熱時および成形時の金型成形面における温度分布が顕著であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、面精度が安定した精密ガラス光学素子を効率よく得ることができる精密ガラス光学素子の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、非酸化性ガス雰囲気下でガラスプリフォームを上下の金型間で加熱し、上下金型によって加圧成形した後、上下金型内に保持した状態で冷却する精密ガラス光学素子の製造方法であって、
加熱時及び加圧成形時には上下金型の非成形面側のそれぞれに対して周辺部から金型軸の方向に非酸化性ガスを流し、冷却時には上下金型の非成形面側のそれぞれに対して金型軸から周辺部の方向に非酸化性ガスを流すことを特徴とする精密ガラス光学素子の製造方法に関する。
【０００９】
本発明はまた、少なくとも、ガラスプリフォームを加圧成形するための上下金型、上金型の熱を上方向に逃がさないための上断熱層、下金型の熱を下方向に逃がさないための下断熱層、および系を外気と遮断するためのチャンバーを含んでなり、各金型の非成形面側に非酸化性ガスのための水平路が形成され、該水平路に連結する垂直路が金型軸方向に断熱層を貫通して形成されていて、
加熱時及び加圧成形時には水平路を通じて上下金型の非成形面側のそれぞれに対して周辺部から金型軸の垂直路の方向に非酸化性ガスを流し、冷却時には水平路を通じて上下金型の非成形面側のそれぞれに対して金型軸の垂直路から周辺部の方向に非酸化性ガスを流すように構成されていることを特徴とする精密ガラス光学素子の製造装置に関する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の方法を添付の図面を用いて説明する。なお、図面の中で同一符号は同一部分または相当する部分を示す。
【００１１】
図１は本発明の方法を実施するのに適した第１の態様の精密ガラス光学素子の製造装置の概略構成図を示す。当該装置は詳しくは、ガラスプリフォームを加圧成形するための上下金型（２、５）、上金型の熱を上方向に逃がさないための上断熱層１８、下金型の熱を下方向に逃がさないための下断熱層１９、および系を外気と遮断するための石英等からなるチャンバー９で構成され、通常、さらに上金型２の外周を覆う上胴型３、下金型５の外周を覆う下胴型６、ならびに上下金型および上下胴型を上下断熱層を介して固定するための上型ベース１１および下型ベース１２を含んでなる。また、成形室（チャンバー内の空間）には、図示しない非酸化性ガス供給システムおよび排気システムが結合されている。ガス供給システムの経路内には、図示しないガス温度制御器、ガス流量制御器およびガス圧制御器が所望により設置されている。本明細書中、上金型２、上胴型３、上断熱層１８および上型ベース１１からなるユニットを上型ユニット１、下金型５、下胴型６、下断熱層１９および下型ベース１２からなるユニットを下型ユニット４と呼ぶものとする。
【００１２】
当該装置においては、各金型の非成形面（２５、２６）側に非酸化性ガスのための水平路２１が形成され、該水平路に連結する垂直路２０が金型軸方向に、上断熱層１８および上型ベース１１、ならびに下断熱層１９および下型ベース１２を貫通して形成されている。本発明において、垂直路２０は金型軸上に形成され、水平路２１は非成形面（２５、２６）に隣接しながら、図１（Ｂ）に示すように金型軸に向かって、すなわち垂直路２０に向かって形成されていることが好ましい。このような構成とすることにより金型成形面の温度分布をより有効に低減できるためである。図１（Ｂ）は図１（Ａ）における水平面Ｘの概略断面図を示す。
【００１３】
第１の態様においては、図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、水平路２１は一端で垂直路２０と連結され、他端でチャンバー９内の空間３０と連結されている。
【００１４】
図１（Ｂ）中、４本の水平路２１が垂直路２０から放射状に形成されているが、金型成形面の温度分布を低減できれば、水平路の数は特に制限されるものではなく、例えば、図２に示すように８本の水平路２１が垂直路２０から放射状に形成されていてもよい。水平路の開口面積にもよるが、通常、４本以上、好ましくは４〜１２本が好適である。以下、４本の水平路が形成される場合について説明する。
【００１５】
本発明においてはまず、チャンバー９内に非酸化性ガスを満たし、非酸化性ガス雰囲気下でガラスプリフォーム７を上下の金型（２、５）間で加熱する。このときのチャンバー内への非酸化性ガス導入のためのガス流路は特に制限されず、金型劣化および金型とガラスとの融着を防止できるように、上下金型間にガスを充填できればよい。例えば、チャンバーと金型ブロック（上型ユニット１および下型ユニット４からなる）との間隙に、ガスを、図示しないガス供給システムによって上型ユニット１側から導入してもよいし、または下型ユニット４側から導入してもよいし、もしくは上下金型によって形成される空間の横からチャンバーに穴をあけてガスを導入してもよい。
【００１６】
加熱手段（図示しない）は特に制限されないが、上下の胴型の周りにチャンバーの外側からコイルを巻き当該コイルに電気を流して高周波を発生させることにより胴型（３、６）を加熱する誘導加熱を行うことが、迅速に所望温度まで加熱できる点で好ましい。このため、胴型の材料としては、誘導加熱可能な材料が使用され、例えば、超硬合金、カーボン等の硬度が高く、電気伝導性の良好なものが挙げられる。本発明においては加熱手段として、加熱ヒーター、赤外線ランプ等を用いて金型を加熱してもよい。このときは熱の伝導効率の観点から胴型（３、６）を極力小さくし、できることなら設置しないことが好ましい。
【００１７】
本発明においては加熱時において、各金型（２、５）の非成形面（２５、２６）側に非酸化性ガスを供給し、各金型の非成形面側での非酸化性ガス流の向きを制御する。詳しくは、各金型（２、５）の非成形面（２５、２６）側において非酸化性ガスを非成形面と接触させながら金型軸に向かって流す。すなわち、図１（Ａ）中、水平路２１および垂直路２０に、図示する矢印方向のガス流が生じるようにガスを導入する。このときのガスの導入経路は水平路２１および垂直路２０内で図示する矢印方向のガス流が生じれば特に制限されず、例えば、チャンバーと金型ブロック（上型ユニット１および下型ユニット４からなる）との間隙に、ガスを、上型ユニット１側から導入してもよいし、下型ユニット４側から導入してもよいし、または上型ユニット１側および下型ユニット４側の両側から導入してもよい。
【００１８】
加熱時において、金型はその周辺（側面）から熱が伝達されるため、金型成形面において中心部と周辺部で温度差（中心部の温度が周辺部の温度より低い温度分布）が生じるが、本発明においては加熱時、上記のように非酸化性ガスを金型非成形面と接触させながら金型軸に向かって流すため、金型成形面の温度分布を低減できる。すなわち、金型を加熱しながら、非酸化性ガスを金型非成形面と接触させつつ金型軸に向かって流すことによって、金型自体が加熱されることによる固体を介した金型周辺部から金型中心部への熱伝導とガス流を介した金型周辺部から金型中心部への熱伝導が行われ、金型周辺部から金型中心部へ熱が効率よく伝わり、金型の温度分布が低減され、結果として金型成形面の温度分布が低減される。
【００１９】
加熱時において上記の方向でガスを流し始める時期は特に制限されず、遅くとも後述の加圧成形直前において金型成形面の温度分布の低減が達成できるような時期とする。また、加圧成形直前において金型成形面の温度分布の低減が達成できれば、ガス流は継続して流されても、または間欠的に流されてもよい。
【００２０】
非酸化性ガスの圧力、温度および／または流量、ならびに加熱手段の出力を適宜選択することによって金型成形面の温度分布を低減するのに必要とされる時間、金型温度および昇温速度を調整することができる。特に、ガスの温度はあまりに低すぎると金型の温度および昇温速度が低下し、加熱効率が悪化し、一方であまりに高く設定してもガスを加熱するためのコストが大きくなるため、これらの事情を勘案して適宜設定する必要がある。また、ガス温度は使用されるガラス種によっても異なるが、通常、２０〜４００℃、好ましくは３００〜６００℃の範囲内で選択される。ガスの圧力は、通常、１．０〜７．０ｋｇｆ/ｃｍ²、好ましくは３．０〜７．０ｋｇｆ/ｃｍ²の範囲内で選択される。ガスの流量は０．５〜４００リットル/分、好ましくは０．５〜１０００リットル/分の範囲内で選択される。
【００２１】
昇温速度は、加圧成形直前において金型成形面での温度分布の低減が達成されれば、レンズ製造プロセスの短時間化の観点から大きいほど好ましく、通常、３００〜１０００℃/分、好ましくは３００〜６００℃/分、より好ましくは５００〜６００℃/分に設定される。加熱時において昇温速度は途中で変化しても良い。また、各金型はその中心部の温度でプリフォームのガラス軟化点を超える温度に加熱されることが好ましい。通常、ガラス軟化点〜ガラス軟化点＋１００（℃）まで加熱される。上金型と下金型が異なる温度に加熱されてもよい。
【００２２】
非酸化性ガスを、上型ユニット１側および下型ユニット４側の両側から導入し、特に、上金型と下金型の設定温度が異なる場合、各ガスの圧力、温度および／または流量は独立して選択されてよい。
【００２３】
本発明においては金型成形面における中心部と周辺部との温度差を、面精度の安定な光学素子が得られる程度に低減することができる。すなわち、金型および胴型の各中心部の温度差を５０℃以下、好ましくは５℃以下に低減することができる。
【００２４】
例えば、直径約１５ｍｍ、厚み１５ｍｍの金型を用い、金型中心部の温度が７０５℃に達したとき、４００℃のガスを圧力４ｋｇｆ/ｃｍ²、流量５リットル/分で、チャンバーと金型ブロック（上型ユニット１および下型ユニット４からなる）との間隙に、上型ユニット１側から導入すると、各金型において約３０秒後には金型中心部の温度が７２０℃で金型および胴型の各中心部の温度差が５℃の温度分布を実現できる。
【００２５】
非酸化性ガスは比較的高温であっても金型およびガラス表面を酸化しないガスであれば特に制限されず、例えば、窒素、Ａｒ等が挙げられる。
【００２６】
上下の金型における成形面は所望の形状に鏡面加工され、本発明においては面精度０．０５μｍ程度まで安定にプリフォームに転写することができる。上金型および下金型それぞれの形状は特に制限されず、例えば、曲面形状（球面形状を含む）または平面形状を有していてよく、また凹形状または凸形状いずれであってもよい。上下の金型の材料は特に制限されないが、成形容易性および型加工容易性の観点からＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＷＣ、Ｃｒ₂Ｏ₃が好ましく用いられ、より好ましくはＷＣが用いられる。
【００２７】
上記のように各金型において成形面の温度分布が低減された後は、プリフォームを当該上下金型によって加圧成形する。本発明においては加熱時と同様に、各金型（２，５）の非成形面（２５，２６）側において非酸化性ガスを非成形面と接触させながら金型軸に向かって流し続けながら加圧成形することが好ましい。
【００２８】
加圧を終了させるタイミングは、硝種によって異なるが、(Tg-100）℃に冷却するまで、好ましくは(Tg-50)℃に冷却するまでとする。
加圧時間および圧力は、上金型２および下金型５の各成形面のプリフォーム７への転写が十分に達成されれば、特に制限されない。
【００２９】
加圧成形後は、プリフォームを上下金型内に保持した状態で冷却する。本発明においては冷却時、特にプリフォームの表面温度、すなわち金型成形面の温度がガラス転移点以下になるまでの間、各金型（２，５）の非成形面（２５，２６）側に非酸化性ガスを供給し、各金型の非成形面側での非酸化性ガス流の向きを制御する。詳しくは、各金型（２，５）の非成形面（２５，２６）側において非酸化性ガスを非成形面と接触させながら、金型軸から放射状に流す。すなわち、図１（Ａ）中、垂直路２０および水平路２１に、図示する矢印と逆方向のガス流が生じるようにガスを導入する。このときのガスの導入経路は垂直路２０および水平路２１内で図示する矢印と逆方向のガス流が生じれば特に制限されず、例えば、上型ユニット１においては垂直路２０の上端から、下型ユニット４においては垂直路２０の下端から、ガスを導入する。
【００３０】
冷却時において、金型はその周辺（側面）から放熱されるため、金型成形面において中心部と周辺部で温度差（中心部の温度が周辺部の温度より高い温度分布）が生じるが、本発明においては冷却時、上記のように非酸化性ガスを金型非成形面と接触させながら金型軸から放射状に流すため、金型成形面の温度分布が低減された状態での冷却が可能となる。すなわち、金型から放熱させながら、非酸化性ガスを金型非成形面と接触させつつ金型軸から放射状に流すことによって、金型自体が放熱することによる固体を介した金型中心部から金型周辺部への熱伝導とガス流を介した金型中心部から金型周辺部への熱伝導が行われ、金型中心部から金型周辺部へ熱が効率よく伝わり、金型の温度分布が低減され、結果として金型成形面の温度分布が低減された状態での冷却が可能となる。また、冷却効率も向上する。
【００３１】
冷却時のガス流は、冷却時の金型成形面の温度分布の低減が達成できれば、継続して流されても、または間欠的に流されてもよい。
【００３２】
冷却時に導入される非酸化性ガスの圧力、温度および／または流量は金型成形面の温度分布が低減された状態を維持できれば特に制限されないが、それらを適宜選択することによって冷却速度を調整することができる。冷却速度は、ガラスに歪が発生し、カンと呼ばれる割れが起こるため制限され、通常、５０〜２００℃/分、好ましくは８０〜１２０℃/分に制御される。冷却時において冷却速度が途中で変化しても良い。ガスの圧力は、通常、１．０〜７．０ｋｇｆ/ｃｍ²、好ましくは３．０〜７．０ｋｇｆ/ｃｍ²の範囲内で選択される。ガスの温度は、通常、２０〜１００℃、好ましくは２０〜５０℃の範囲内で選択される。ガスの流量は０．５〜１０００リットル/分、好ましくは０．５〜４００リットル/分の範囲内で選択される。例えば、導入ガスの流量を１００リットル/分、温度を室温とすれば、冷却速度は約１００℃/分となる。
【００３３】
各ユニット（上型ユニット１および下型ユニット４）から導入される非酸化性ガスの圧力、温度および／または流量は独立して選択されてよい。
【００３４】
本発明における上記のような冷却はプリフォームの表面温度、すなわち金型成形面の温度がガラス転移点以下、好ましくはガラス転移点−５０℃、より好ましくはガラス転移点−２０℃になるまでの間、行われる。プリフォーム表面温度がガラス転移点を超えている状態で金型成形面での中心部と周辺部の温度差が２０℃を越えると面精度の安定な光学素子を得ることができない。
【００３５】
本発明においては冷却時の金型成形面における中心部と周辺部との温度差、すなわち、金型および胴型の各中心部の温度差を２０℃以下、好ましくは５℃以下に維持することができる。
【００３６】
上記のような冷却を行った後は、金型間の圧力を解除し、さらに冷却する。圧力解除後の冷却時における冷却速度は大きく設定することが好ましい。これは、成形サイクルの短縮につながり、レンズコストを低減する効果がある。その方法は特に制限されず、例えば、非酸化性ガスを吹きかけて強制的に冷却してもよいし、または放置冷却してもよい。
【００３７】
本発明においては、加熱時、加圧成形時および冷却時において各金型の非成形面側に非酸化性ガスを供給し、各金型の非成形面側での非酸化性ガス流の向きを上記のように制御することにより、金型成形面の温度分布が低減された状態での加圧成形および冷却が可能になるため、面精度の安定な精密ガラス光学素子を効率よく得ることができる。
【００３８】
本発明においては、このような温度分布の低減をより効果的に行うために、金型および胴型の中心部の温度を検出しながら、非酸化性ガスの圧力、温度および／または流量、ならびに加熱手段の出力を適宜調整することが好ましい。そのため、上記の装置においては、少なくとも１対、好ましくは２対の金型および胴型の温度を検出しながら、非酸化性ガスの圧力、温度および／または流量、ならびに加熱手段の出力を制御する手段を設けていることが好ましい。
【００３９】
図３は本発明の方法を実施するのに適した第２の態様の精密ガラス光学素子の製造装置の概略構成図を示す。図３の装置は、上型ユニット１および下型ユニット４それぞれにおいて、５本の垂直路（２０Ａおよび２０Ｂ；金型軸上に形成されている垂直路を「２０Ａ」、その周辺に形成されている垂直路を「２０Ｂ」という）が形成され、水平路２１が一端で垂直路２０Ａと連結され、他端で垂直路２０Ｂと連結されていること以外、図１の装置と同様である。図３（Ｂ）は図３（Ａ）における水平面Ｘの概略断面図を示す。図３（Ｂ）中、４本の水平路２１が垂直路２０Ａから放射状に形成されているが、図１の装置においてと同様に、金型成形面の温度分布を低減できれば、水平路の数は特に制限されるものではない。例えば、８本の水平路２１が垂直路２０Ａから放射状に形成される場合、各水平路の他端において垂直路２０Ｂが形成される。
【００４０】
図３（Ａ）中に示されている矢印は加熱時および加圧成形時の非酸化性ガス流の向きを示す。すなわち、図３の装置においては、加熱時および加圧成形時、垂直路２０Ｂに非酸化性ガスを導入することにより、各金型の非成形面側（水平路２１）において非酸化性ガスを非成形面と接触させながら金型軸に向かって流す。このため、前述のように、金型自体が加熱されることによる固体を介した金型周辺部から金型中心部への熱伝導とガス流を介した金型周辺部から金型中心部への熱伝導が行われ、金型周辺部から金型中心部へ熱が効率よく伝わり、金型の温度分布が低減され、結果として金型成形面の温度分布が低減される。
【００４１】
冷却時においては、垂直路２０Ａに非酸化性ガスを導入することにより、各金型の非成形面側（水平路２１）において非酸化性ガスを非成形面と接触させながら金型軸から放射状に流す。このため、前述のように、金型自体が放熱することによる固体を介した金型中心部から金型周辺部への熱伝導とガス流を介した金型中心部から金型周辺部への熱伝導が行われ、金型中心部から金型周辺部へ熱が効率よく伝わり、金型の温度分布が低減され、結果として金型成形面の温度分布が低減された状態での冷却が可能となる。また、冷却効率も向上する。
【００４２】
図３の装置においても、図１の装置を用いた場合と同様に、加熱時、加圧成形時および冷却時において各金型の非成形面側に非酸化性ガスを供給し、各金型の非成形面側での非酸化性ガス流の向きを上記のように制御することにより、金型成形面の温度分布が低減された状態での加圧成形および冷却が可能になるため、面精度の安定な精密ガラス光学素子を効率よく得ることができる。
【００４３】
図４は本発明の方法を実施するのに適した第３の態様の精密ガラス光学素子の製造装置の概略構成図を示す。図４の装置は、上胴型３および下胴型６それぞれにおいて、４本の垂直路（２０Ｂ）がさらに形成され、水平路２１が一端で垂直路２０Ａ（垂直路２０Ａは図１における垂直路２０に対応する）と連結され、他端で垂直路２０Ｂと連結されていること以外、図１の装置と同様である。図４（Ｂ）は図４（Ａ）における水平面Ｘの概略断面図を示す。図４（Ｂ）中、４本の水平路２１が垂直路２０Ａから放射状に形成されているが、図１の装置においてと同様に、金型成形面の温度分布を低減できれば、水平路の数は特に制限されるものではない。例えば、８本の水平路２１が垂直路２０Ａから放射状に形成される場合、各水平路の他端において垂直路２０Ｂが形成される。
【００４４】
図４（Ａ）中に示されている矢印は加熱時および加圧成形時の非酸化性ガス流の向きを示す。すなわち、図４の装置においては、加熱時および加圧成形時、水平路２１および垂直路（２０Ａおよび２０Ｂ）に図示する矢印方向のガス流が生じるように非酸化性ガスを導入することにより、各金型の非成形面側（水平路２１）において非酸化性ガスを非成形面と接触させながら金型軸に向かって流す。このため、前述のように、金型自体が加熱されることによる固体を介した金型周辺部から金型中心部への熱伝導とガス流を介した金型周辺部から金型中心部への熱伝導が行われ、金型周辺部から金型中心部へ熱が効率よく伝わり、金型の温度分布が低減され、結果として金型成形面の温度分布が低減される。
【００４５】
ガスの導入経路は水平路２１および垂直路（２０Ａおよび２０Ｂ）内で図示する矢印方向のガス流が生じれば特に制限されず、例えば、チャンバーと金型ブロック（上型ユニット１および下型ユニット４からなる）との間隙に、ガスを、上型ユニット１側から導入してもよいし、下型ユニット４側から導入してもよいし、または上型ユニット１側および下型ユニット４側の両側から導入してもよい。
【００４６】
冷却時においては、垂直路２０Ａに非酸化性ガスを導入することにより、各金型の非成形面側（水平路２１）において非酸化性ガスを非成形面と接触させながら金型軸から放射状に流す。このため、前述のように、金型自体が放熱することによる固体を介した金型中心部から金型周辺部への熱伝導とガス流を介した金型中心部から金型周辺部への熱伝導が行われ、金型中心部から金型周辺部へ熱が効率よく伝わり、金型の温度分布が低減され、結果として金型成形面の温度分布が低減された状態での冷却が可能となる。また、冷却効率も向上する。
【００４７】
図４の装置においても、図１の装置を用いた場合と同様に、加熱時、加圧成形時および冷却時において各金型の非成形面側に非酸化性ガスを供給し、各金型の非成形面側での非酸化性ガス流の向きを上記のように制御することにより、金型成形面の温度分布が低減された状態での加圧成形および冷却が可能になるため、面精度の安定な精密ガラス光学素子を効率よく得ることができる。
【００４８】
図５は本発明の方法を実施するのに適した第４の態様の精密ガラス光学素子の製造装置の概略構成図を示す。図５の装置は、図５（Ａ）に示すように、少なくとも１の水平路２１Ｂが一端で垂直路２０と連結して、他端でチャンバー９内の空間に連結して形成されていること、少なくとも１の誘導路２５が一端で垂直路２０と連結して、他端で開放系（図示しない）に連結して形成されていること、および弁２８が設けられていること以外、図１の装置と同様である。図５（Ｂ）は図５（Ａ）における水平面Ｘの概略断面図を示す。図５（Ｂ）中、４本の水平路２１Ａ（水平路２１Ａは図１（Ａ）における水平路２１に対応する）が垂直路２０から放射状に形成されているが、図１の装置においてと同様に、金型成形面の温度分布を低減できれば、水平路の数は特に制限されるものではない。
【００４９】
図５（Ａ）中に示されている矢印は加熱時および加圧成形時の非酸化性ガス流の向きを示す。すなわち、図５の装置においては加熱時および加圧成形時、弁２８を図５（Ａ）に示すように開閉し、垂直路２０に非酸化性ガスを導入することにより、各金型の非成形面側（水平路２１Ａ）において非酸化性ガスを非成形面と接触させながら金型軸に向かって流す。このため、前述のように、金型自体が加熱されることによる固体を介した金型周辺部から金型中心部への熱伝導とガス流を介した金型周辺部から金型中心部への熱伝導が行われ、金型周辺部から金型中心部へ熱が効率よく伝わり、金型の温度分布が低減され、結果として金型成形面の温度分布が低減される。
【００５０】
冷却時においては、図５（Ａ）における全ての弁２８の開閉状況を逆にし、すなわち開いている弁は閉じ、閉じている弁は開け、垂直路２０に非酸化性ガスを導入することにより、各金型の非成形面側（水平路２１Ａ）において非酸化性ガスを非成形面と接触させながら金型軸から放射状に流す。このため、前述のように、金型自体が放熱することによる固体を介した金型中心部から金型周辺部への熱伝導とガス流を介した金型中心部から金型周辺部への熱伝導が行われ、金型中心部から金型周辺部へ熱が効率よく伝わり、金型の温度分布が低減され、結果として金型成形面の温度分布が低減された状態での冷却が可能となる。また、冷却効率も向上する。
【００５１】
図５の装置においても、図１の装置を用いた場合と同様に、加熱時、加圧成形時および冷却時において各金型の非成形面側に非酸化性ガスを供給し、各金型の非成形面側での非酸化性ガス流の向きを上記のように制御することにより、金型成形面の温度分布が低減された状態での加圧成形および冷却が可能になるため、面精度の安定な精密ガラス光学素子を効率よく得ることができる。
【００５２】
図５に示すような弁を用いた構成とすることにより、一連の成形において、すなわち加熱時、加圧成形時および冷却時において、非酸化性ガスの導入は垂直路２０のみに行うことで足るため、非酸化性ガスの導入経路を切り替える必要がなくなる。
【００５３】
本発明の方法を実施する前記した全ての態様の装置においては、金型成形面の温度分布の低減をより効果的に行うために、各金型に、非成形面側に開口するくりぬき部を設け、加熱時、加圧成形時および冷却時、当該くりぬき部にヒーターを抜き差しすることが好ましい。
【００５４】
そのような装置の一例の概略構成図を図６に示す。図６は各金型が非成形面側に開口するくりぬき部２９を有すること、および支持棒３１によって抜き差し可能なヒーター３２を有すること以外、図１の装置と同様である。加熱時および加圧成形時においては、各金型のくりぬき部にヒーターを挿入し、冷却時においては各金型のくりぬき部からヒーターを引き出す。このような上記くりぬき部へのヒーターの抜き差しを、前記の金型非成形面側での非酸化性ガス流方向の制御とともに行うことにより、迅速で有効な金型成形面温度分布の低減が可能となる。また、昇温速度および冷却速度を有効に制御できる。例えば、冷却時、水平路において温度２０℃のガスを流量１００リットル/分で金型軸から放射状に流す場合、ヒーターをくりぬき部から引き抜くと、冷却速度１５０〜２００℃/分を達成できる。くりぬき部を設けることによって冷却時にガス流が金型と接触する面積が増え、放熱が促進されるためである。
【００５５】
また、別の態様においては、ヒーターを用いず、上記くりぬき部を設けるだけでも、前記のように金型の非成形面側での非酸化性ガス流の方向を制御することにより、金型成形面の温度分布の低減をより効果的に達成できる。
【００５６】
本発明の方法を実施するのに適した装置は前記した態様の装置に限定されるものではなく、各金型の非成形面側に非酸化性ガスを供給でき、各金型の非成形面側での非酸化性ガス流の向きを制御できれば特に制限されない。
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。
【００５７】
【実施例】
実施例１
次に、実施例１として具体的な成形例について説明する。図１に示す構成を有する装置（水平路：４本）を用いた。金型は凸形状Ｒ（曲率半径）１５ｍｍで直径１５ｍｍの上型２および凹Ｒ５０ｍｍで直径１５ｍｍの下型５からなる。これにより、凹Ｒ１５ｍｍで凸Ｒ５０ｍｍのメニスカレンズ８を成形した。プリフォーム硝材７としては、ＬａＫ８（Ｔｇ：６５２℃、Ａｔ（屈伏点）：６７９℃）を用いた。
【００５８】
まず、上記プリフォーム７を下型５の上部にセットし、図示しない金型駆動機構により金型ブロック（上型ユニット１および下型ユニット４）を移動させ成形室を形成した。ついで、ガス導入システム（図示しない）により窒素ガスを成形室（チャンバー９内の空間）に導いた（非酸化性ガスの充填）。このときのガス温度は室温で、ガス経路は上断熱層１８から下断熱層１９にまわる経路とした。ガス圧は４Ｋｇｆ/ｃｍ²、流量は５ｌ/ｍｉｎであった。成形室が窒素ガスで満たされたら、図示しない高周波コイルを用いて上下金型を加熱した。上金型の中心部の温度が所定温度の７０５℃に達した時に、上型ユニット１および下型ユニット４それぞれの水平路２１においてガス流が金型軸に向かって流れるように、温度４００℃の窒素ガス（２０リットル/分）を、チャンバー９と金型ブロックとの間隙に、上型ユニット１側および下型ユニット４側の両側から導入した。その後、ガスの導入を継続しながら、３０秒間保持し、金型とプリフォーム各面の均熱化を行った後、下型ユニット４を駆動し、ブレス圧８０Ｋｇ/ｃｍ²で１５秒間成形を行った。その後、各水平路２１においてガス流が金型軸から放射状に流れるように、室温の窒素ガス（１００リットル/分）を、上型ユニットおよび下型ユニットの垂直路２０に導入し、当該ガスの導入を継続した（冷却工程）。下金型中心部の温度がＴｇ−２０（℃）になった時点で、上下のガス流量を各々４００リットル/minとして冷却した。その後、金型ブロックを開いて放置冷却し、成形レンズを取り出した。そこで、これと同一の条件で１０回繰り返した。その結果、レーザー干渉計で測定したところ、面精度の安定性が約１/８λ（λ＝６３２．８ｎｍ）のレンズが得られた。
【００５９】
上記成形プロセス中における上金型及び上胴型の各中心部の温度を図示しない熱電対により検出を行い、その温度変化を図７に示した。温度検知手段としては熱電対以外に、放射温度計により非接触測定することも可能である。成形プロセス中の下金型及び下胴型の各中心部の温度も同様に検出したところ、図７と同様の温度変化を示した。それらの検出結果に基づいて上下個別にガスの温度および流量を、また金型の加熱パワーを微調整することで上下双方の金型温度および胴型温度を制御した。本プロセス中の加圧成形時および冷却時において金型と胴型の温度差は５℃以内に維持できた。
【００６０】
実施例２
次に、実施例２について具体的な成形例を説明する。図１に示す構成を有する装置（水平路：４本）を用いた。金型は、凸Ｒ１５ｍｍで直径１５ｍｍの上型２及び凹Ｒ５０ｍｍで直径１５ｍｍの下型５からなる。これにより凹Ｒ１５ｍｍで凸Ｒ５０ｍｍのメニスカレンズを成形した。プリフォーム硝材７としてはＬａＦ７１（Ｔｇ：６３２℃、Ａｔ：６７２℃）を用いた。
【００６１】
まず、上記プリフォーム７を下型５の上部にセットし、図示しない金型駆動機構により金型ブロック（上型ユニット１および下型ユニット４）を移動させ成形室を形成した。ついで、ガス導入システム（図示しない）により窒素ガスを成形室に導いた（非酸化性ガスの充填）。このときのガス温度は４００℃で、ガス経路は上断熱層１８から下断熱層１９にまわる経路とした。ガス圧は４Ｋｇｆ/ｃｍ²、流量は５ｌ/ｍｉｎであった。成形室が窒素ガスで満たされたら、図示しない高周波コイルを用いて上下金型を加熱した。
【００６２】
本実施例においては、上下金型の加熱・成形温度に差を設けて成形を行った。上金型中心部の温度が６８０℃、下金型中心部の温度が６９５℃に達した時に、各水平路２１においてガス流が金型軸に向かって流れるように、温度４００℃の窒素ガスを、チャンバー９と金型ブロックとの間隙に、上型ユニット側および下型ユニット側の両側から導入した。ガス流量は上部は１５リットル/min、下部は５リットル/minとした。その後、ガスの導入を継続しながら、４０秒間保持して下型ユニット４を駆動し、プレス圧１００ｋｇ/ｃｍ²で３０秒間成形を行った。その後、各水平路２１においてガス流が金型軸から放射状に流れるように、室温の窒素ガスを、上型ユニットおよび下型ユニットの各垂直路２０に導入した（冷却工程）。ガス流量は上部は２５リットル/min、下部は１５リットル/minとし、当該ガスの導入を継続し、下金型中心部の温度がＴｇ−２０（℃）になった時点で、上下のガス流量のみ変えて、各々２５０リットル/minとして冷却した。その後、金型を開き成形レンズ８を取り出し、これを同一の条件で１０回繰り返した。その結果、レーザー干渉計で測定したところ、面精度の安定性が約１/１０λのレンズが得られた。上記成形プロセス中において上下金型および上下胴型の温度をモニターしたところ、加圧成形時および冷却時の上金型および上胴型、各中心部の温度差、ならびに下金型および下胴型、各中心部の温度差は３℃以内であった。
【００６３】
実施例３
次に、実施例３について具体的な成形例を説明する。図１に示す構成を有する装置（水平路：８本）を用いた。実施例２と同様、金型は凸Ｒ１５ｍｍで直径１５ｍｍの上型２および凹Ｒ５０ｍｍで直径１５ｍｍの下型５からなる。これにより凹Ｒ１５ｍｍで凸Ｒ５０ｍｍのメニスカレンズを成形した。プリフォーム硝材としてはＳＫ５（Ｔｇ：６５８℃、Ａｔ：７０４℃）を用いた。
【００６４】
まず、上記プリフォーム７を下型５の上部にセットし、図示しない金型駆動機構により金型ブロック（上型ユニット１および下型ユニット４）を移動させ成形室を形成した。ついで、ガス導入システム（図示しない）により窒素ガスを成形室に導いた。このときのガス温度は４００℃で、ガス経路は上断熱層１８から下断熱層１９にまわる経路とした。ガス圧は４Ｋｇｆ/ｃｍ²、流量は５リットル/minであった。成形室が窒素ガスで満たされたら、図示しない高周波コイルを用いて上下金型を加熱した。上金型の中心部の温度が所定温度の７３０℃に達した時に、上型ユニット１および下型ユニット４それぞれの水平路２１においてガス流が金型軸に向かって流れるように、温度４００℃の窒素ガス（２０リットル/分）を、チャンバー９と金型ブロックとの間隙に、上型ユニット１側および下型ユニット４側の両側から導入した。このとき、金型と胴型の温度をモニターしながら、上金型と上胴型、下金型と下胴型、各中心部の温度差がないようにガス流量の調整を行い、かつ加熱コイルのパワーを調整し、温度差がない状態を３０秒間保持した。その後、下型ユニット４を駆動し、プレス圧８０ｋｇ/ｃｍ²で２５秒間成形を行った。その後、各水平路２１においてガス流が金型軸から放射状に流れるように、室温の窒素ガス（５０リットル/分）を、上型ユニットおよび下型ユニットの各垂直路２０に導入した（冷却工程）。このとき、金型と胴型の温度差をモニターしながら、上金型と上胴型、下金型と下胴型、各中心部の温度差がないようにガス流量の調整を行い、下金型中心部の温度がＴｇ−２０（℃）になった時点で、上下のガス流量のみ変えて、各々２５０リットル/minとして冷却した。その後、金型を開き成形レンズ８を取り出し、これを同一の条件で１０回繰り返した。その結果、レーザー干渉計で測定したところ、面精度の安定性が約１/１２λのレンズが得られた。
【００６５】
実施例４
次に、実施例４として具体的な成形例について説明する。図６に示す構成を有する装置を用いた。図６の装置は各金型が非成形面側に開口するくりぬき部２９（開口部の直径：１０ｍｍ）を有すること、および支持棒３１によって支持されるヒーター３２（寸法：１０ｍｍ×高さ１２ｍｍ、出力２００Ｗ）を有すること以外、図１の装置と同様である。
【００６６】
成形方法については、各水平路２１におけるガス流の温度、流量および向きを実施例１においてと同様に制御しながら、加熱時および加圧成形時において、各金型のくりぬき部にヒーターを挿入し、冷却時においては各金型のくりぬき部からヒーターを引き出すこと以外、実施例１の成形方法と同様であった。なお、挿入量は確実に奥まで、また引出については金型中心温度の特性に合わせて金型周辺と中心の温度差がでないように制御しながら行った。成形プロセス中において上下金型および上下胴型の温度をモニターしたところ、加圧成形時および冷却時の上金型および上胴型、各中心部の温度差、ならびに下金型および下胴型、各中心部の温度差は２℃以内であった。１０回繰り返してレンズを成形し、レーザー干渉計で測定したところ、面精度の安定性が１/１０λのレンズが得られた。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、成形に必要となる非酸化性ガスの経路を切り換え、さらには所望により金型内にヒーターを抜き差しすることで効率的に金型温度分布の低減が図れ、面精度の安定性が高い光学素子が容易に成形できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）は本発明の方法を実施するのに適した精密ガラス光学素子の製造装置の一例の概略構成図を示し、（Ｂ）は（Ａ）における水平面Ｘの概略断面図を示す。
【図２】 水平路を８本形成したときの図１（Ａ）における水平面Ｘの概略断面図を示す。
【図３】 （Ａ）は本発明の方法を実施するのに適した精密ガラス光学素子の製造装置の一例の概略構成図を示し、（Ｂ）は（Ａ）における水平面Ｘの概略断面図を示す。
【図４】 （Ａ）は本発明の方法を実施するのに適した精密ガラス光学素子の製造装置の一例の概略構成図を示し、（Ｂ）は（Ａ）における水平面Ｘの概略断面図を示す。
【図５】 （Ａ）は本発明の方法を実施するのに適した精密ガラス光学素子の製造装置の一例の概略構成図を示し、（Ｂ）は（Ａ）における水平面Ｘの概略断面図を示す。
【図６】 本発明の方法を実施するのに適した精密ガラス光学素子の製造装置の一例の概略構成図を示す。
【図７】 本発明の方法における加熱時、加圧成形時および冷却時の金型および胴型の温度変化の一例を表す概略図を示す。
【図８】 （Ａ）は従来の精密ガラス光学素子の製造装置の一例の概略構成図を示し、（Ｂ）は（Ａ）における水平面Ｘの概略断面図を示す。
【符号の説明】
１：上型ユニット、２：上金型、３：上胴型、４：下型ユニット、５：下金型、６：下胴型、７：プリフォーム、９：チャンバー、１１：上型ベース、１２：下型ベース、１８：上断熱層、１９：下断熱層、２０、２０Ａ、２０Ｂ：垂直路、２１、２１Ａ、２１Ｂ：水平路、２５、２６：非成形面、２８：弁、２９：くりぬき部、３０：チャンバー内の空間、３１：支持棒、３２：ヒーター。

Claims (11)

1. 非酸化性ガス雰囲気下でガラスプリフォームを上下の金型間で加熱し、上下金型によって加圧成形した後、上下金型内に保持した状態で冷却する精密ガラス光学素子の製造方法であって、
   加熱時及び加圧成形時には上下金型の非成形面側のそれぞれに対して周辺部から金型軸の方向に非酸化性ガスを流し、冷却時には上下金型の非成形面側のそれぞれに対して金型軸から周辺部の方向に非酸化性ガスを流すことを特徴とする精密ガラス光学素子の製造方法。
2. 加熱時および加圧成形時に、各金型の非成形面側において非酸化性ガスを非成形面と接触させながら金型軸に向かって流し、冷却時に、各金型の非成形面側において非酸化性ガスを非成形面と接触させながら、金型軸から放射状に流すことを特徴とする、請求項１に記載の精密ガラス光学素子の製造方法。
3. 少なくとも１対の金型および胴型の温度を検出しながら、非酸化性ガスの温度および／または流量を制御することを特徴とする、請求項１または２に記載の精密ガラス光学素子の製造方法。
4. 加熱時、加圧成形時および冷却時に、非成形面側に開口する各金型のくりぬき部にヒーターを抜き差しすることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の精密ガラス光学素子の製造方法。
5. 加熱時および加圧成形時に、各金型のくりぬき部にヒーターを挿入し、冷却時に、各金型のくりぬき部からヒーターを引き出すことを特徴とする、請求項４に記載の精密ガラス光学素子の製造方法。
6. 少なくとも、ガラスプリフォームを加圧成形するための上下金型、上金型の熱を上方向に逃がさないための上断熱層、下金型の熱を下方向に逃がさないための下断熱層、および系を外気と遮断するためのチャンバーを含んでなり、各金型の非成形面側に非酸化性ガスのための水平路が形成され、該水平路に連結する垂直路が金型軸方向に断熱層を貫通して形成されていて、
   加熱時及び加圧成形時には上下金型の非成形面側のそれぞれに対して水平路の周辺部から金型軸の垂直路の方向に非酸化性ガスを流し、冷却時には上下金型の非成形面側のそれぞれに対して金型軸の垂直路から水平路の周辺部の方向に非酸化性ガスを流すように構成されていることを特徴とする精密ガラス光学素子の製造装置。
7. 少なくとも１の垂直路が金型軸上に形成され、水平路が非成形面に隣接しながら金型軸に向かって形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の精密ガラス光学素子の製造装置。
8. 水平路が一端で垂直路と連結され、他端でチャンバー内の空間と連結されていることを特徴とする、請求項６または７に記載の精密ガラス光学素子の製造装置。
9. 垂直路および／または水平路が非酸化性ガス流の向きを変化させるための弁を有していることを特徴とする、請求項６乃至８のいずれかに記載の精密ガラス光学素子の製造装置。
10. 各金型の外周に胴型を有し、少なくとも１対の金型および胴型の温度を検出しながら、非酸化性ガスの温度および／または流量を制御する手段を設けたことを特徴とする、請求項６乃至９のいずれかに記載の精密ガラス光学素子の製造装置。
11. 各金型が非成形面側に開口するくりぬき部を有し、該くりぬき部に抜き差しするためのヒーターをさらに含んでなることを特徴とする、請求項６乃至１０のいずれかに記載の精密ガラス光学素子の製造装置。

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