JPH06345458A - 光学ガラス素子の成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複雑な形状の光学素子をも高精度に製造する
ことのできる方法を提供する。 【構成】 上型及び下型からなる成形型の前記上型と下
型との間に載置されたガラス素材をプレス成形すること
により成形型の光学面をガラス素材に転写して光学素子
を成形する方法において、軟化状態のガラス素材に圧縮
荷重を負荷して成形型の光学面をガラス素材に転写した
後、ガラス素材に引っ張り荷重を負荷しながらガラス転
移点以下までガラス素材を冷却することを特徴とする光
学ガラス素子の成形方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学素子の製造方法に関
し、例えば非球面レンズ等の複雑な形状を有する光学素
子を高精度にプレス成形することができる光学素子の製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学機器の小型化、軽量化にとも
ない光学系に使用されるガラスレンズとして非球面形状
のレンズが望まれている。このような非球面形状を有す
るガラスレンズの製造方法として、所定の表面形状精度
を有する上型及び下型からなる成形型内に光学素子材料
をはさみ、プレス成形することにより光学素子を製造す
る方法が提唱されている。例えば、特開昭６３−１０３
８３５号公報には、熱可塑性状態のガラスをプレス成形
するときには比較的小さな圧力を加えて光学ガラス素材
を変形させて所望の素子形状に概略一致させ、ガラスの
冷却時にはプレス成形時より増圧した圧力を加えながら
ガラス転移点付近までガラスを冷却させることにより、
ヒケの発生を減少させ高精度な光学ガラス素子を成形す
る方法が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
記方法においては、プレス成形終了後にガラス素子を成
形型から取り出す際に部分的にスプリングバックと称さ
れる変形が生ずる場合がある。これは、冷却中にガラス
素子内に発生した応力の緩和現象に関すると考えられ
る。そのため成形された光学素子の光学機能面に変形を
生じ、高度な形状精度、例えばニュートンリング１本以
下程度の形状精度を得ることは困難である。このような
現象は特に凹レンズ、メニスカス形状を有するレンズ、
あるいは、径の大きなレンズ等を成形する場合に顕著で
あり、また、冷却中に負荷される圧力が大きくなるにし
たがい、スプリングバックによる変形量も増加する傾向
にある。

【０００４】本発明は、上記従来法の問題点に鑑み、複
雑な形状の光学素子をも高精度に製造することのできる
方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、上型及び下型からなる成形型の前記上型と下型と
の間に載置されたガラス素材をプレス成形することによ
り成形型の光学面をガラス素材に転写して光学素子を成
形する方法において、軟化状態のガラス素材に圧縮荷重
を負荷して成形型の光学面をガラス素材に転写した後、
ガラス素材に引っ張り荷重を負荷しながらガラス転移点
以下までガラス素材を冷却することを特徴とする光学ガ
ラス素子の成形方法である。

【０００６】

【作用】本発明によれば、光学素子をプレス成形する際
に、ガラス素材に対してプレス方向と逆向きの荷重を負
荷しながら冷却を行うことによって、冷却中にガラス素
材内に発生する応力を緩和しながら冷却を行い、成形型
からガラス素材を取り出した後のスプリングバックを防
止する。さらに、冷却中にガラス素材に一様の圧力を加
えながらの冷却となるため得られる光学素子のヒケ現象
も同時に防止して、従来までは成形が困難であった光学
素子の高精度な成形を可能としたものである。

【０００７】冷却中にガラス素材内に発生する熱応力
は、ガラスの粘弾性物性の特性である応力緩和作用によ
って、ガラス素材内に複雑な応力分布を形成する。すな
わち応力緩和は、生じている熱応力の大きさに対応して
作用するため、ガラス素材内で生じている熱応力が大き
い位置では大きく応力緩和が生じ、さほど熱応力が生じ
ていない位置では応力緩和もさほど生じないということ
である。光学素子の形状精度を悪化させる原因として、
この複雑な分布を形成している熱応力がガラス素材を成
形型から取り出す際に解放され、部分的なスプリングバ
ックをおこし光学素子に変形を生じさせるためと考えら
れる。

【０００８】ここで、特開昭６３−１０３８３５号公報
に開示されているように、冷却工程中にガラス素材に対
して圧縮荷重を負荷しながら冷却を行った場合、負荷す
る荷重が大きいほど光学素子を成形型から取り出した際
の部分的なスプリングバックによる変形量も増加する傾
向にある。

【０００９】これは圧縮の負荷を加えることによって、
ガラス素材内により複雑な熱応力分布を生じさせるた
め、さらに応力緩和が強く生じる位置と、さほど生じな
い位置との差が大きくなりますます熱応力分布を複雑に
していくため、部分的なスプリングバックの際の変形量
も増加するものと考えられる。

【００１０】そこで圧縮と逆の引っ張り荷重を負荷する
ことで、ガラス素材内に均一な応力緩和を生じさせるこ
とができるため、スプリングバックを起こした際に、部
分的ではなく全体的な収縮となりアスやクセといった部
分的な変形を防止することができる。

【００１１】以上の理由により本発明によれば、光学素
子をプレス成形する際に、ガラス素材に対してプレス方
向と逆向きの荷重を負荷しながら冷却を行うことによっ
て、成形型からガラス素材を取り出した後の部分的なス
プリングバックを防止できる。

【００１２】図１は、本発明方法における成形温度と荷
重との関係の１例を示したグラフである。この例におい
ては、ガラス素材を室温（Ｒ．Ｔ．）からガラス屈伏点
の温度Ｔ_aまで昇温した後、温度が安定したらｋ₁Ｎの圧
縮荷重を負荷して、続いて圧力解除と同時に降温を開始
し、数秒後に温度Ｔ_bでｋ₂Ｎの引っ張り荷重を負荷し
て、引っ張り荷重が一定となるように調整しながらガラ
ス転移点以下の温度Ｔ_cまで降温するものである。

【００１３】本発明において重要なことは、冷却ガラス
素材に引っ張り荷重を負荷しながらガラス素材を冷却す
ることであり、引っ張り荷重による面圧力の範囲として
は、光学素子の形状にかかわらず３０×１０⁶Ｐａ〜８
５×１０⁶Ｐａが、形状精度の点から好適である。ここ
で、面圧力は、例えば、図２に示される凹状レンズの場
合、荷重が負荷される面積をπ（φ／２）²として計算
する。ここで、πは円周率、φは光学素子の直径であ
る。

【００１４】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。

【００１５】実施例１ 以下の要領で図３に示すような上面の曲率Ｒ（以下、単
にＲと記す）６５ｍｍ、下面のＲ６３ｍｍ、φ９ｍｍ及
び中心部の肉厚Ｎが１．５ｍｍの凹状ガラスレンズを作
製した。

【００１６】図４は本工程を説明するための工程図、図
５はプロセス線図である。以下、図面に基づき説明す
る。

【００１７】（ａ）上型２と下型３との間にガラス素材
１として重クラウンガラス（ガラス転移点Ｔ_g=550℃、
屈折率ｎ_d＝１．５８３１、アッベ数ν_d＝５９．４、屈
伏点Ａ_t＝５８８℃）を載置し、胴型４に設けたヒータ
ー（不図示）により、６２０℃（ガラス粘度１０^9.7ポ
アズ）まで加熱した。この際、ヒーターとしては、カー
トリッジ型のものを使用し、約５分間で６２０℃まで昇
温を行った。またガラス素材１は成形型に比較して熱伝
導性が悪いため、ガラス素材を上下型間に挿入する前に
５００℃まで予備加熱した。上型２及び下型３は胴型４
の中で光軸が合うような嵌合構造になっており、胴型と
成形型との間のクリアランスは両者の加熱後の熱膨張を
考慮した設計にしてある。また上型は、上下方向に摺動
可能に構成されている。更に、上型２は操作手段６によ
ってガラス素材１に対して圧縮又は引っ張りのどちらの
方向にも荷重を負荷できるように構成されている。操作
手段としては、図示の如く上型２を抱えるような形で上
側のプレス軸に固定し、油圧サーボ式シリンダーにより
上下どちら方向にも負荷可能な駆動装置等が使用でき
る。また、下型３は、ベース部材５により胴型４に固定
されている。以上の装置は、安定ガスであるＮ₂雰囲気
中におかれており、ガラス素材１の出入りは、全て吸着
ヘッド８によって行われる。

【００１８】（ｂ）上型及びガラス素材が６２０℃とな
った３０秒後に操作手段６によりガラス素材１に圧縮荷
重４０００Ｎを加え、上型２の光学面２ａ及び下型３の
光学面３ａを、ガラス素材１の表面にそれぞれ転写し
た。ガラス素材１の中心部における厚さＮは、操作手段
６を胴型４の上面４ａに突き当てることによって、上型
２の位置が決まり決定される。本実施例においては、押
し切るまでに４５秒を要した。押切り後すぐに冷却を開
始した。

【００１９】（ｃ）６００℃になった時点で、ガラス素
材１と上型２及び下型３とが剥離しないように制御され
た荷重値３２００Ｎ（面圧力５０．３×１０⁶Ｐａ）
で、ガラス素材１に対して引っ張り荷重を加えた状態で
ガラス素材の温度が５３０℃以下になるまで冷却を行っ
た。ガラス素材の温度が５３０℃以下になった時点で引
っ張り荷重の負荷を増加させてガラス素材１を上型及び
下型から剥離させて凹状ガラスレンズ７を得た。尚、冷
却速度は−２０℃／ｍｉｎで行った。

【００２０】（ｄ）得られたガラスレンズ７を吸着ヘッ
ド８によって胴型４から取り出した。

【００２１】上記工程により得られたガラスレンズの光
学機能面をフィゾー光学干渉計により観察した。図６
は、観察されたニュートンじまの写真の写しである。図
中、（ａ）は上型光学面２ａが転写されたガラスレンズ
面、（ｂ）は下型光学面３ａが転写されたガラスレンズ
面の形状精度を示すものである。

【００２２】観察されたアス、クセは、どちらの面もニ
ュートンじま一本以下であり、成形型の光学面が正確に
転写されたことが判る。

【００２３】また、上記工程を繰り返し、凹状ガラスレ
ンズを１０００個連続製造した結果、得られた全てのガ
ラスレンズについて、アス、クセともニュートン１本以
下の良好な形状精度であった。

【００２４】実施例２ 以下の要領で、ガラスレンズを作製した。

【００２５】製作工程の概略は実施例１とほぼ同一であ
るが、ガラス素材としてランタン系ガラス（ＬａＫ１
２、ガラス転移点Ｔ_g=650℃、屈折率ｎ_d ＝１．６７７
９、アッベ数ν_d ＝５５．３、屈伏点Ａ_t ＝６７７℃）
を用い、レンズ形状を図７に示されるような上面のＲ１
６ｍｍ、下面のＲ５７ｍｍ、φ１５ｍｍ及び中心部の肉
厚Ｎが１．９ｍｍのメニスカス形状とし、引っ張り荷重
を５３００Ｎ（面圧力３０．０×１０⁶Ｐａ）とした。

【００２６】図８は、成形型の光学面が転写された後
の、引っ張り荷重を負荷しながらガラス素材を冷却する
工程を示したものである。

【００２７】本実施例においては、引張り荷重を負荷し
た際に、所望の冷却温度（５３０℃に至る前に、ガラス
素材が硬化し、ガラス素材が上型２’及び下型３’から
剥離してしまうのを防ぐ目的で、ガラス素材１’の表面
に予めガラス素材と同様のランタン系のガラスで屈伏点
がガラス素材１’よりも低い低軟化ガラス素材１ａ’
（ｎ_d ＝１．６６９１０、ν_d ＝５５．４、Ａ_t ＝５９
０℃）をコーティングした。このことにより、冷却中、
表面にコートされたガラス素材１ａ’が内部のガラス素
材１’よりも常に粘度が低く、軟化状態に保たれる。よ
って、上型２’及び下型３’とガラス素材１’（１
ａ’）の密着力が保持され５３０℃以下まで密着状態を
維持することができた。

【００２８】得られたメニスカス形状のガラスレンズの
形状精度を実施例１と同様に評価した結果、両面ともア
ス、クセがニュートンじま１本以下であり、良好な形状
精度であった。

【００２９】以上の実施例では、両凹形状及びメニスカ
ス形状の光学素子を例に挙げて説明したが、ガラス素材
内に熱応力分布を生じるメカニズムは光学素子形状に関
係なく同様であるため、光学素子形状及びガラス種に関
係なく本発明は有効である。

【００３０】また、本実施例においては、上型のみでガ
ラス素材に正負の荷重を加える構造としているが、本発
明は、それに限られるものではなく、下型によりガラス
素材に荷重を加えたり、上型及び下型の組み合せにより
ガラス素材に荷重を加えてもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、成形型の光学面を
転写した後、引っ張り荷重をかけながらガラス素材を冷
却することを特徴とする本発明方法により、従来法では
高精度な製造が困難であった複雑な形状の光学素子を、
極めて基本的な装置によって高精度に成形することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における成形温度と荷重との関係を示す
グラフである。

【図２】凹状レンズの荷重算出に関与する面積の求め方
を説明するための模式図である。

【図３】実施例１にて作製した凹状ガラスレンズの形状
を示す断面模式図である。

【図４】実施例１における製造工程を示す工程図であ
る。

【図５】実施例１におけるプロセス線図である。

【図６】実施例１にて作製したガラスレンズの形状精度
を光干渉計で測定した結果を示す図である。

【図７】実施例２にて作製したメニスカス形状ガラスレ
ンズの形状を示す断面模式図である。

【図８】実施例２における冷却工程を説明する工程図で
ある。

【符号の説明】

１、１’ ガラス素材 １ａ 低軟化ガラス ２、２’ 上型 ２ａ 上型光学面 ３、３’ 下型 ３ａ 下型光学面 ４ 胴型 ４ａ 胴型上面 ５ ベース部材 ６ 操作手段 ７ ガラスレンズ ８ 吸着ヘッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大森 正樹 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 (72)発明者 冨田 昌之 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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上型及び下型からなる成形型の前記上型
   と下型との間に載置されたガラス素材をプレス成形する
   ことにより成形型の光学面をガラス素材に転写して光学
   素子を成形する方法において、軟化状態のガラス素材に
   圧縮荷重を負荷して成形型の光学面をガラス素材に転写
   した後、ガラス素材に引っ張り荷重を負荷しながらガラ
   ス転移点以下までガラス素材を冷却することを特徴とす
   る光学ガラス素子の成形方法。