JPH02267129A - 成形装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、硝子光学素子を成形するための装置および方
法、ならびにその様な硝子光学素子製造に適した硝子鋳
型を製作するための方法および装置に関する。

光学レンズ素子の製造は、昔から、複雑で、緩慢な、　
経費と時間がかかる工程で行なわれている。　既存の方
法および装置を改善するための努力はなされているが、
先行技術による方法には尚多くの欠点と問題がある。

精密光学素子には、厳密な形状と表面品質を備えた研磨
表面が必要である。　その表面は、相互に適切な幾何学
的関係を持って製作することが必要であり、また、素子
を透過用途に使用する場合には、管理された、均質な、
等方性の屈折率を持った材料から調製する。　用途によ
っては、非等方性の屈折率を持つ材料も公知である。

硝子製の精密光学素子は、一般に、二つの複雑な、多段
階方法の一つにより製作されている。

その一方法では、硝子バッチを通常の方法で溶融し、そ
の溶融物を、調整した均一な屈折率を持つ硝子体に成形
する。　その後、公知の再圧縮技術を使って矯正し、そ
の硝子体を望ましい最終製品に近い形状にする。　その
様な中間製品の表面形状や仕上げは、結像光学素子には
不適当である。

その中間製品を精密焼きなまし加工し、適切な屈折率に
調整し、その表面形状は、通常の研磨により改良する。

　もう一つの方法は、硝子溶融物を大型の硝子体に形成
し、それを直ちに精密焼きなまし加工し、続いて切断し
、望ましい形状を持った製品に研磨する。

上記の、どちらの方法にも、似た様な制限がある。　研
磨により調製する表面の輪郭は、通常、平面、球面、お
よび放物面などの円錐曲面に限られる。　他の形状、特
に一般の非球状表面は研磨が困龍である。　両方法にお
いて、研磨した光学面は１表面形状を壊さずに表面状態
を改良する目的で、通常の、ただし複雑な仕上技術を駆
使して仕上加工する。　非球状表面の場合、その様な仕
上げには、高度に熟練した、非常に高価な手作業が必要
である。　例えば縁取りなどの、最終仕上げ作業も一般
に必要である。　しかし、縁取りでは、非球面の関係を
調整し損なっても、それを改善することはできず、その
要因は、その様なレンズの精密研磨が困龍なためである
。

レンズを仕上状態まで直接成形する方法なら少なくとも
原理的には、非球面レンズに対して特に回能で時間がか
かる研磨、仕上げおよび縁取り作業を除くことができよ
う。　その様な成形方法は、プラスチックレンズの加工
には採用されている。　しかし、光学用途に適した既存
のプラスチックは、屈折率および分散範囲が限られてい
る。

その上、多くのプラスチックは、傷が付き易く、複屈折
性を示し、黄変および曇りを発生する傾向がある。　耐
摩耗性および反射防止被覆が採用されているが、プラス
チックに関するこれらの問題点を十分に解決してはいな
い。　さらに、プラスチック光学素子は、機械的な力、
湿気および熱により変形する。　　温度の変化によりプ
ラスチックの体積および屈折率の両方が大きく変化する
ので、プラスチックを使用できる温度範囲が限られてい
る。

硝子の特性は、光学用途に関しては、一般にプラスチッ
クよりも優れている。　しかし、従来の硝子の熱間圧縮
では、結像光学用途に必要とされる厳密な表面形状およ
び表面品質を与えることはできない。　表面における急
冷ひだ、および表面形状誤差は、長年に渡る問題である
。　同じ様な問題が、上記の、従来の再圧縮技術におい
ても見られる。

従来の熱間硝子圧縮方法および装置の欠点を改良するた
めに、多くの手段および装置が採用されている。　それ
らの中で、等温圧縮、即ち圧縮工程を実行する温度が、
圧縮作業中、硝子半製品の内部でほんの僅かしか変動し
ない様に、加熱した鋳型および予熱した硝子を使用し、
圧縮作業中に硝子および鋳型材料に対して不活性な雰囲
気を使用する特殊な圧縮装置がある。　さらに、直接プ
レスするレンズ、並びに他の光学素子の品質を改良する
ために、鋳型を構築する特殊な材料、特殊な団子組成、
および成形工程パラメータが開発され、使用されている
。

鋳型および硝子製造に関する各種の特許を以下に記載す
るが、これらの特許のすべてをここに参考として含める
。　米国特許第２，４１０，６１６号は、硝子製レンズ
を成形するための初期の装置および方法を記載している
。　その鋳型は、成形する硝子に適合した狭い範囲内で
、加熱し、その温度を制御することができる。　不活性
または還元性の雰囲気、好ましくは水素雰囲気を鋳型表
面に接触させ、その酸化を防止している。　鋳型を入れ
た室の開口部の上にあり、空気がその中に入るのを防ぐ
ための、通常、水素を燃焼させる炎のカーテンが１己載
されている。

米国特許第３．８３３，３４７号も、同様に、プレス成
形硝子レンズ用の装置と方法を記載している。

この鋳型は加熱、温度制御が可能である。　不活性ガス
が鋳型を包み、酸化を防いでいる。　この特許は、写真
用途に不適当なレンズ表面を生じると考えられる金属製
のダイスとは異なった、　硝千秋の炭素から成る鋳型表
面の使用を記載している。　この記載されている方法は
、硝子の塊を鋳型の中に入れ、鋳型を取り囲む室を脱気
し、その中にガスを導入し、鋳型の温度を大体硝子の軟
化点に上昇させ、　鋳型に負荷をかけて硝子を成形し、
成形した硝子本体の変形を防ぐために鋳型の負荷を保ち
ながら鋳型の温度をその硝子の転移温度より下に下げ、
負荷を除き、鋳型を約３００°Ｃまで冷却して硝子状炭
素の酸化を防止し、最後に鋳型を開く、という８段階か
ら成っている。　この特許は、その様にして製造したレ
ンズは２本質的に歪が無く、さらに熱処理する必要がな
い、と主張している。

鋳型上の硝子状炭素表面を使用し、硝子レンズをトラン
スファー成形するための類似の装置および方法が米国特
許第３．８４４，７５５号に開示されている。　プレス
成形品の表面品質を高め、鋳型の耐久性を向上させ、溶
融硝子離型剤として作用する鋳型の被覆使用が、米国特
許第３，２４４．４９７号に記載されている。　この特
許は、温度制御式のブランジヤーおよび断熱性鋳型ベー
スにより、支持プレステーブルへの熱伝達を制御する、
レンズ半製品成形装置を記載している。　しかし、この
装置は、比較的薄いレンズを成形する様に設計されてお
り、このレンズの薄いことが、この装置で可能な温度制
御に重要な貢献をしている。

米国特許第４，４８１．０２３号は、光学用のレンズを
直接プレスするための、別の成形装置を記載している。

　成形品表面の温度制御機構も備わっており、この装置
は、１０’〜１０１２ポアズの比較的高い粘度の硝子を
プレスする様に設計されている。

これは比較的低いプレス温度に相当しており、不均一な
熱の流れに起因する難点を少なくするのに役立っている
。

上記の米国特許第３，２４４．４．９７号は、耐火性窒
化物、ホウ化物、炭化物、および酸化物から成るグルー
プから選択した耐火性被覆を開示している。

被覆がその下にある鋳型表面を確実に鏡面の様に仕上げ
るために、可視光線の波長の約半分よりも薄い、　例え
ば０．５　ミクロンの被覆を提案している。

米国特許第３．９００，３２８号は一般的に、硝子状炭
素から製作した鋳型を使用した、硝子レンズ成形品を記
載している。　この特許は、加熱して軟化した硝子の一
部を、硝子状炭素から製作した鋳型のキャビティの中に
いれ、鋳型近くの非酸化性雰囲気を保ちながら、鋳型に
適当量の熱および圧力をかけ、鋳型を冷却して開き、そ
の鋳型からでき上がったレンズを取り出す方法を記載し
ている。

米国特許第４，１６８，９６１号は、鋳型が、炭化ケイ
素／硝子状炭素混合物から成る鋳型表面を持つ、光学硝
子素子の精密成形方法を開示している。

この特許は、その様な鋳型材料を使用して成形した素子
は高い表面品質および表面精度を示すことを示唆してい
る。　しかし、この材料の酸化を防ぐために、雰囲気を
管理しながら成形する必要があるので、この方法の実際
上の経済的な価値を著しく低下させている。

米国特許第４，０７３，６５４号には、水和した硝子か
ら光学レンズをプレス成形する方法が開示されている。

　この方法では、水和した硝子の顆粒を鋳型に入れ、鋳
型を吸引して真空にし、鋳型から水蒸気が逃げない様に
鋳型を密閉しながら、顆粒が焼結するのに十分高い温度
に鋳型を加熱し、鋳型に負荷をかけ、鋳型から負荷を取
り去り、鋳型を開く。　硝子状の炭素、炭化タングステ
ン、およびタングステンの合金が鋳型材料に提案されて
いる。

ヨーロッパ出願第１９３４２号には、使用する硝子の軟
化点を越える温度、即ち硝子の粘度が１０７６ボアズに
なる温度における、硝子レンズの等温プレス方法が開示
されている。

米国特許第４，１３９，６７７号は、炭化ケイ素または
窒化ケイ素から成る成形表面を持つ鋳型を使った光学硝
子素子の精密成形を開示している。　この方法は、その
記載によれば、良好な表面品質および形状を提供すると
のことであるが、鋳型の被覆の酸化を防ぐために、成形
室の内部に酸素を含まない雰囲気を保つ必要がある。

米国特許第４，７４７，８６４号は、１０’〜１０１２
ポアズの範囲の硝子粘度における直接成形法により成形
した光学硝子素子を記載している。　精選した成形可能
なアルカリアルミノフルオロリン酸塩光学硝子を、光学
的に平滑な窒化チタン成形表面を使用して、光学表面仕
上げにプレスするが、その表面は、例えば、ステンレス
鋼製の鋳型または無電解ニッケルベース被覆を支えるニ
ッケルクロム合金製の鋳型上に表面被覆として施しであ
る。

米国特許第４．７３４，１１．８号は、望ましい完成レ
ンズに近い、全体的な幾何学的構造を持つ硝子半製品を
プレスするための鋳型を記載している。　上部および下
部鋳型ダイスが、最終レンズの形状に合った鋳型キャビ
ティを有する。　硝子半製品を成形温度まで加熱し、一
方鋳型部品は別に加熱する。　成形ずべきレンズの厚さ
を決定する厚さを持つリングに対して、鋳型部品を一緒
に合わゼる成形キャビティ内に入れる硝子の量は、その
質量を測定して調節する。　この特許は、４００シリー
ズステンレス鋼、無電解ニッケル、ベリリウム　ニッケ
ル合金炭化タングステン、白金、ロジラム、および金な
どの貴金属と乾式シリカとの合金等の各種の鋳型表面材
料を開示している。　この特許は、鋳型材料自体が重要
ではないが、良好な表面仕上げを施すことが可能でなけ
ればならないことを開示している。

非球面レンズなどの製品用に、直接成形技術を採用する
経済的な利声、を実現するには、プレス作業用に使用す
る鋳型の耐用庁命に関するファクターが最も重要であり
、厳木に考虜しなければならない。　特に非常に硬く、
耐久性がある鋳型材料が一般に必要とされるので、鋳型
内の非球面形状の加工のために鋳型が比較的高価になる
。　低温度、高粘度成形が関与する成形工程では、成形
応力が高くなるので、このことが特に当てはまる。

本発明の目的は、正確な表面形状および仕上状態を備え
た光学素子を経済的に製作するための方法および装置を
提供することである。

もう一つの目的は、正確な表面形状および仕上状態を備
えた、曲率半径の小さな精密光学素子、例えば非球面レ
ンズを経済的に製作するための方法および装置を提供す
ることである。

本発明により、第一および第二の、相対する光学成形表
面を備えた一対の硝子鋳型を、次の様にして形成する。

　第一の硝子鋳型を形成するための、第一マスターキャ
ビティを備えた第一のマスターを準備し、そのキャビテ
ィの中に一定量の硝子鋳型材料を入れる。　次いで、第
一の光学表面を形成するための、第一成形表面を持つ、
第一硝子鋳型を成形する。　この手順を第二のマスクを
使用して繰り返し、第二の光学表面を形成するための、
第二の硝子成形表面を持つ、第二の硝子鋳型を形成する
。

こうして形成した第一および第二の硝子鋳型を拘束手段
の中に、　向き合って作動する様に配置し、第一および
第二の硝子成形表面が、少なくとも部分的に、予め決定
した容積、大きさ、および形状を持つ硝子鋳型キャビテ
ィを形成する様にする。　　こうして形成された硝子鋳
型キャビティの中に、予め決定した量の硝子光学素子材
料を入れ、第一および第二光学表面を持つ硝子光学素子
を成形する。

第一および第二硝子鋳型を成形するためのキャビティ、
並びに硝子鋳型のキャビティを形成するために、予め決
定した、望ましい物理的特性を持つ精密挿入物またはリ
ングを使用することができる。　同様に、マスタースリ
ーブおよび硝子光学素子スリーブを、キャビティを形成
するための拘束手段として使用することができる。

硝子鋳型を形成するために、成形し、研磨した素子また
は塊を形成し、そこから第一および第二硝子鋳型を成形
する。　同様に、成形し、研磨した半製品、例えば球形
のボールを形成し、そこがら硝子光学素子を成形する。

本発明により形成し、金属、硝子セラミック、等から成
る他の鋳型と組み合わせた成形に使用する硝子鋳型も、
非硝子光学素子またはレンズの成形と同様に１本発明の
意図するところである。

この技術に精」ｍした者には、本発明の、これらの、お
よび他の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明、
および本発明の一部を成す添付の図面から明らかで、あ
るが、そこでは実施例として本発明の好ましい実施形態
を説明している。

図面は、本発明を説明し、代表するためにあるのであっ
て、そこに示す各種の要素の尺度や相対的な比率を表わ
す物ではない。

第１図に関して、マスタースリーブ（１２）の中に位置
する塊、つまり半製品（ｌＯ）を示す。　半製品（１０
）に対して共同作用する関係で、マスターつまり鋳型素
子（１４）がある。　成形マスター（１４）用の適当な
材料の例としては、インコネル７１８、ステンレス鋼４
２０型、炭化タングステン等がある。

マスターの成形面つまり光学表面は、　使用中に、化学
物質による攻撃、腐食、へこみ、摩耗、成形すべき材料
の付着、等により損傷を受けることがある。　　その様
な損傷を防ぐために、マスターの表面を被覆するか、ま
たはめっきすると良い。　適当な被覆、またはめっき材
料は、インコネル７＋８ｊ；よび４２０型ステンレス鋼
には無電解ニッケル（ＥＩＮｉｊ、炭化タングステンに
は金である。

その他の可能な被覆およびめっき材料は、窒化ハフニウ
ム、炭化ホウ素、および無定形ダイアモンドである。

再び第１図に関して、マスター（１４）には、マスター
（１４）から突き出した、つまり外側に延びた突起（１
８）があり、光学素子またはレンズ用の鋳型を作るのに
使用する場合には、その表面を望ましい光学素子の形状
にしてお（。　マスターリング（２０）をマスターの突
起（１８）の回りに、以下にさらに詳細に説明する様に
、鋳型表面の周辺部を形成する様に配置する。　マスタ
ーリング（２０）の材料は、好ましくは炭化タングステ
ンであるが、ＭＡＣＯＲＩ＋硝子セラミックまたはステ
ンレス鋼でもよい。

レンズ設計データを使用して、マスター（１４）の表面
（１６）の輪郭を計算する。　この輪郭は、成形温度に
おりるレンズおよび鋳型材料の異なった熱膨張係数を補
正し、必要な鋳型形状にする。

マスターの輪郭を設計するには、形成すべき最終の光学
素子またはレンズのパラメータがら出発する。　これを
説明するために、レンズの成形な参考にするが、本発明
はそれに限定する物ではない。　　先ず、レンズの特定
の材料、大きさ、形状、　＠何字的装置、等を決定しな
ければならない。　少なくともある程度、これらは最終
的なレンズの有用性により異なる。

形成時の温度つまり成形温度におけるレンズの大きさお
よび形状は、先ず、レンズおよびレンズ材料の温度膨張
係数、その他の関連するパラメタを考虜に入れて計算す
る。　これによって、レンズ形成時の温度、つまり成形
温度における鋳型キャビティおよび鋳型リングの大きさ
ぁよび形状が得られる。　鋳型キャビティおよび鋳型リ
ングは、以下にさらに詳しく説明する。

次いで、室温における鋳型、鋳型リング、およびスリー
ブの大きさおよび形状を、　形成時の温度、つまり成形
温度における大きさおよび形状のデータ並びに関連する
材料または組成バラメークから計算する。　この技術に
精通した者なら分かる様に、上記の手順を繰り返して、
形成温度および室温の両方における、マスター、マスタ
ーリング、およびマスタースリーブの大きさおよび形状
を決定する。

通常、レンズ成形には、鋳型２個およびレンズリング１
個を使用する。　各鋳型がそれぞれ一方のレンズ光学面
および周囲の平面を形成し、リングは、レンズの胴、つ
まりレンズの外周の形状および大きさを決定する。　　
無論、レンズの中には、レンズ平面部を必要としないも
のや、リング無しに成形するものもある。

マスター、突起、およびマスターリングを２つに分けて
形成する一つの理由は、最終的なレンズ上に非常に小さ
な混合半径を得るためである。

混合半径とは、レンズの湾曲した光学部分と周囲の平な
部分との間の半径である。　　多くの用途で、必要な混
合半径は、それを形成するのに使用する工具半径よりも
小さい。　半径０．７６２ｍｍ（０，０３０“）のダイ
アモンド尖端を持つ金属切断工具が効果的であるが、半
径がより小さい工具は高価で、信頼性が無く、寿命も短
い。　したがって、より精密な鋳型設計および小さな混
合半径を得るには、２つに分かれたマスターによる設計
が好ましい。　　無論、より大きな混合半径を使用でき
る、またはその様な設計が好ましい場合には、マスター
およびリングは一つに製作することができる。

マスター（１４）の突起（１８）の表面（１６）に光学
キャビティマスター形状を形成する。　その様な表面は
精密に製作しなければならず、好ましくは一点ダイアモ
ンド旋削法１ｓＰＤＴ＋により形成する。　この方法は
、精富旋盤に取り付けたダイアモンド切断工具上の一点
を使用して表面を加工するものである。

適当な旋盤の例としては、Ｍｏｏｒ　５ｐｅｃｉａｌ　
ＴｏｏｌＣｏ、製の非球面加工機がある。

リングの厚さおよび突起の高さに対する狭い寸法公差、
例えば１インチのプラスまたはマイナス五千万分の−を
保つことにより、鋳型キャビティおよび鋳型平面が正確
に配置され、混合半径として比較的鮮明な角部が得られ
る。　　一般に、突起の外径とマスターリングの内径と
の間の透き間は、通常の作業には約０．０２５４ｍｍ（
０，００１−１あっても良い。　無論、上記の公差は、
−船釣なものであって、関与する材料および温度、レン
ズの望ましい精密度、およびレンズの有用性に応じて変
えることができる。

塊つまり半製品（１０）は、第４図にさらに示す様に、
予め決定した凸状表面、つまり隆起（２４）を持たせる
。　隆起（２４）は、突起（１８）の表面（１６）と向
き合う様に配置する。　突起（１８）の表面（１６）は
、マスターリング（２０）の表面（２２）と共に、第５
図に示す様な、碩子成形物（３０）の凹状表面（２８）
を含む上部成形物表面（２６）を形成する。　ここでは
、表面（２２）は、平面、あるいはその他として様々に
記載するが、　無論、並列線または方向合わせマク、等
を含むこともできる。

塊つまり半製品（ｌＯ）を、それぞれ突起（１８）およ
びマスターリング（２０）の表面（１６）および（２２
）に向き合う様に、スリーブ（１２）内に配置した後、
押し棒（３２）を塊（ｌＯ）に作用する様に、スリーブ
（１２）内に入れる。　　マスター（１４）の温度を測
定するために、第１図に示すマスター（１４）の開口部
（３４）中に、図には示していないが、熱雷対な挿入す
ることができる。

装置（３５）を１図には示していないプレス中に組み立
てた後、適当な手段により、装置を加熱することができ
る。　プレスに圧力をかける手段は重要ではなく、取り
付は手段とラム棒、および特定の成形品組成物をその成
形温度で成形するための十分な圧力をかけることができ
る、空気圧または油圧シリンダーを備えていればよい。

　鋳型機構および成形材料を適当な手段、好ましくはこ
の技術でよく知られているＲＦ誘導電界により加熱すれ
ばよい。　マスタースリーブは良好な磁化体であり、Ｒ
Ｆ発生機は市販品を容易に入手でき、温度制御がし易い
ので、誘導加熱が好ましい。　加熱および圧縮は、ごみ
、汚染、および工具の酸化を防ぐために、必要なら窒素
グローブボックスなどの調整した不活性雰囲気中で行な
うとよい。

塊（１０）および（４０）の材料は重要ではなく、塊は
成形すべき最終的な材料、関与する温度、化学的な相容
性、等に応じて適当な材料で形成できる。

この技術に精通した者なら、特定の用途毎に適当な材料
を選択することができる。

ここに記載する実施例のレンズ用の成形物を形成するに
は、西独のＳｃｈｏｔｔ−Ｒｕｈｒｇｌａｓ　Ｇｍｂ）
Ｉ製の５ｃｈｏｔｔ　Ｆ６と呼ばれる硝子組成が適して
いる。

この組成は、平均重量パーセントで、５１０２４２．７
ＰｂＯ１１６，８８ａＯ２，５，Ａｌ２Ｏ５Ｏ，１，Ｋ
、０５．４．　ＮａｚＯ２５である。　この硝子は、焼
き戻し温度が約４２５°Ｃ１ひずみ温度が約３８７°Ｃ
１公称軟化点約５９１　Ｃ１および熱膨張係数が約９ｐ
ｐｍ／度（１００−３００’ｃ）である。

以下は、　　ここに記載する５ｃｈｏｔｔ　Ｆ６を使用
した、代表的な成形物形成の工程の例である。　上記の
様に塊（１０）を入れた成形装置（３５）の温度を、Ｒ
Ｆ誘導電界により、５１０９Ｃの均熱温度に上昇させる
。　この装置を５１０°Ｃで約３分間、または装置が熱
平衡状態に達するまで均熱する。　　熱平衡は、塊中の
温度変動が約１　’Ｃ以下である状態と定義する。

その後、押し棒（３２）に矢印で示す様に力をかける。

　当然のことながら、上記の様に、油圧シリンダープレ
スにより圧力をかけることができる。

そのシリンダーにより加わる力を、約１００秒間の間に
約４８１ｂｓから１４８１ｂｓに増加させ、装置を約５
１０°Ｃに維持しながら、その力を約７分間保つ。

その後、力を除き、装置を、成形材料が固化する温度で
ある約４００°Ｃに冷却する。

次いで、装置をさらに放置して約１５０　”Ｃに冷却し
、第５図の番号（３０）で示す様な、でき上がった硝子
成形物を鋳型機構から取り出す。　第４図の（ｌＯ）の
様な、全体的に円筒状で真直な側壁を持つ塊は、以下に
さらに詳細に説明する様に、下側つまり固定鋳型に非常
に適している。

第３図に示す様な、上側可動鋳型（３８）は、肩部（４
２）の間で直径が小さくなっている塊（４０）から成形
し、最終的に第３図に示す様な、高（持ち上がったバン
ド（４４）を持つ硝子鋳型（３８）にすることができる
。　これらのバンドは、標準型のピストン鋳型の支持バ
ンドに似せてあり、続く光学素子ブレス工程で、成形ス
リーブ内の僅かな凹凸および／またはごみのために鋳型
が粘着する傾向を少なくしている。　その他の点では、
鋳型表面（４６）および凹表面（４８）を持つ硝子鋳型
（３８）を、硝子鋳型（３０）の形成に関して上に述べ
た様にして、隆起（５０）を持つ塊（４０）から形成す
る。

硝子鋳型の形成を、共同作用する関係で使用する一対の
硝子鋳型の形成に関連して説明したが必要なら、ただ一
つだけの硝子鋳型をここに説明する様にして形成し、他
の手段で、金属、硝子セラミック、等から形成したもう
一つの鋳型と共に作動位置に配置して成形キャビティを
形成してもよい。　　無論、その様な実施形態では、こ
こに説明した様な、成形、した硝子鋳型を使用する利点
は、形成された最終的な光学素子のただ一つの光学表面
上にしか得られないが、光学素子およびそれを使用する
用途に応じて、それで十分な場合もある。

その様にして形成した硝子鋳型を焼きなましして残留ひ
ずみを除去する。　その様な焼きなましは、この技術に
おいて公知の装置および手順により行なうことができ、
焼きなましする材料の組成により異なる。　しかし、焼
きなまし工程を注意深く管理し、それによって鋳型の収
縮量を測定可能な方法で調整し、温度を想定する必要が
ある。

この実施例のレンズの鋳型を焼きなましする例を以下に
示す。　ブルーアイランド、ＩＬのＢｌｕｅ　ＭＥｌｅ
ｃｔｒｉｃ　Ｃｏ、製の焼きなまし炉の中に硝子鋳型を
入れ、温度を毎分約１１″Ｇの速度で、４３０°Ｃの焼
きなまし温度に達するまで上昇させる。　その温度を約
３０分間保つ。　重要な冷却速度は、約３６７０Ｃの温
度に達するまで、毎分約−０６°Ｃである。

その後、約３１７°Ｃになるまで、毎分約−２６Ｃの速
度で冷却する。　その後、鋳型を強制的に室温まで冷却
する。　Ｂｌｕｅ　Ｍ焼きなまし炉は、焼きなましサイ
クルをプログラム化できる。

硝子鋳型形成に適した硝子組成の他の例としては、コー
ニング　ガラス　ワークスの硝子組成番号９０１２．０
１２０．および８３５５がある。　適切な硝子鋳型組成
の選択は、　その様な鋳型により成形さ７ｉ れる材料を初めとする多くの要因により左右される。

次ぎに第６図に関して、第７図に示すレンズ（５２）の
様な硝子光学素子を成形するための装置を示す。　この
成形装置は、基盤（５６）上に載せたスリーブ支柱（５
４）を含も。　スリーブ（５８）をスリブ支柱（５４）
の回りに置き、第一の鋳型（６０）をスリブ（５８）の
内側で、スリーブ支柱（５４）に隣接して配置する。　
成形品の形状を備えた第一鋳型表面（６２）を、スリー
ブ（５８）の内側で、スリーブ支柱（５４）と反対の方
を向けて配置する。　次いで、素子リング（６４）を、
スリーブ（５８）の内側で、鋳型（６０）の表面上に置
く。　ここで分かる様に、リング（６４）の内側開口が
、成形すべき硝子素子の外側形状および大きさを決定す
る。　リング（６４）の内表面（６６）、およびリング
（６４）の開口中で露出している、第一鋳型の表面（６
２）の露出部分が、成形すべき硝子素子、つまりレンズ
の片側の大きさぁよび形状および周辺部を決定する。

次に、素子の半製品（６８）を、リング（６４）内の第
一鋳型表面（６２）の上に置く。　　第二の鋳型（７０
を、素子スリーブ（５８）内で、その第二の成形表面（
７２）が素子半製品（６８）と接触する様に置く。　こ
こで分かる様に、第二成形表面（７２）の中心部が最終
的に、成形すべき硝子素子つまりレンズの反対側を形成
する。

次いで、第二鋳型（７０）の上に載せた押し捧（７４）
により矢印（７６）が示す方向に、力をかける。　力は
、この技術で公知の油圧または空気圧シリングにより、
成形装置の押し棒に加えられる。　この力は、重りによ
って加えても良いし、あるいは時間が重要でなりれば、
鋳型の重量によって加えても良い。　本発明を一つの硝
子レンズまたは光学素子の成形に関して説明しているが
、複数の成形装置を同時に使用することも意図しており
、そのために、各成形装置に接する複数のアームを備え
た油圧または空気圧シリンダーなどの、複数の成形装置
に同時に力をかける手段を使用することもできる。

レンズまたは素子の半製品（６８）は、先ず、成形ずべ
き最終的なレンズまたは硝子素子に必要な体積および最
終的な硝子製品を成形するのに適した表面仕上げを持っ
て形成する。　素子（６８）には、実用上および経済的
な理由から、　球形が好ましい。　というのは、球形に
することにより、本発明の範囲には含まれないが、容易
に理解できる通常の機械加工手段により、表面仕上げお
よび必要な体積の両方が簡隼に調整できるためである。

硝子レンズ（５２）を形成するための適当な硝子組成物
は、重量パーセントで、Ｐ２Ｏ，３９，２Ｎａ、０５．
ＯＦ　４．３．　ＰｂＯ２４，２，Ｂａ０２０．１．　
Ｌｉｚｏ　２．０．およびＡｌ２Ｏ，５，２の組成を持
つアルカリアルミノフルオロリン酸塩光学硝子である。

　この組成物は、ひずみ温度が３３０°Ｃである。　球
形半製品の直径に対する一般的な公差は、プラスまたは
マイナス０、００８ｍｍであり、代表的な仕上げは、　
ＬＴ、　１マイクロインチＡＡである。　硝子光学素子
を形成するための他の適当な組成物の例は、米国特許第
４．４４７．５５０号の実施例１０および１３、並ヒニ
他の５ｉＯｚ−ＬＬ−ＰｂＯ−Ａｌ　２０３−Ｆ型の硝
子である。　　概論、最終的な光学素子またはレンズの
組成は、それを使用する用途、および／または環境によ
り大きく異なる。　したがって、レンズまたは光学素子
の組成は重要ではなく、本発明の範囲には入らない。　
概論、光学素子またはレンズの材料は、ここに説明する
様に、硝子以外でもよく、材料の組み合わせでも各種の
プラスチックでもよい。

本発明に係わる光学硝子素子を成形するための適当な炉
は、フ′ルーアイランド、ＩＬのｌ１ｌｕｅ　ＭＥｌｅ
ｃｔｒｉｃ　Ｃｏ　　製のＵＬＴＲＡＴＥＭＰ”、　Ｍ
ｏｄｅｌ　ＴＧＦ　９９８０４である。

般に、炉は使用する前に、使用する材１′４、装置およ
び機器の酸化を防ぐために、窒素またはアルゴンなどの
不活性気体で内部の空気を追い出しておく。　窒素を使
って、気体流量的３５０−４００ｓｃｆｈで、約３８分
間空気を追い出すのが効果的であることが分かった。

成形装置を炉に入れ、その炉から空気を追い出した後、
炉の昇温サイクルを開始する。　約３７５°Ｃの均熱−
圧縮温度には、　約１００分間で到達する。　この加熱
均熱時間の後、圧縮サイクルを開始し、圧縮温度を保ち
ながら、一般に１０−１５分間圧縮する。　無論、圧縮
温度は、半製品の組成およびその軟化点などの物理特性
により異なる。

また、空気圧または油圧シリンダーにより押し棒に加え
る力も、当然、半製品の材料によって異なる。　ここに
記載するアルカリアルミノフルぢロノン酸塩の素子半製
品材料に対しては、圧縮温度は３７５°Ｃである。

光学硝子素子またはレンズを形成する際、鋳型部品を整
列させることが重要である。　特に、鋳型の中心線は、
特定の用途に予め決定した限界内に入っている必要があ
る。　素子スリーブ（５８）が鋳型部品のを整列を保つ
。　この目的には、精密Ｖ−フロックを使用することも
できる。　素子スリブの内径並びに他のすべての寸法は
、マスクスリーブの設計に関連して上に述べた様にして
決定する。　鋳型部品の外径とスリーブの内径との間の
寸法公差は、鋳型部品を軸方向で整列させるのに重要で
あり、ここに記載する様に各用途毎に決定しなければな
らない。

素子リング（６４）は、鋳型（６０）と（７０）との間
に配置し、素子スリーブ（５８）によりそれらと−列に
並んで配置される。　リング（６４）の寸法は、マスク
リングに関連して上に述べた様に、レンズ材料の特性お
よび最終的なレンズ形状を考慮に入れて決定する。

本発明に係わる光学硝子素子を形成するために選択した
圧縮条件の重要な特徴は、素子の厚さが望ましい様に自
己限定することである。　ここに記載する様にして、素
子半製品および素子リングを形成することによって、形
成された光学硝子素子の、それ以上の変形に対する抵抗
により、素子の厚さが調整される様に、　成形作業が行
なわれる。　即ち、特定の温度において、加えられた圧
力が、形成されている光学硝子素子の最終形状の近くで
物理的変形に必要な力により抵抗を受けるのである。　
直径は素子リング（６４）により拘束されるので、成形
品の厚さは、温度と圧力により最終的に調整される。　
無論、形成される光学素子の厚さに対して素子リング（
６４）が調整ファクタである様な温度および圧力で成形
作業を行なうこともできる。

圧縮が完了した後、圧縮シリンダーが戻り、炉の通風弁
が自動的に開き、８０分間の炉の冷却期間が開始する。

　　上記の装置および材料を使用して、全サイクルは約
４時間かかる。

硝子鋳型による硝子レンズ形成の代表的な例を以下に示
す。　（６０）および（７ｏ）に相当する、望ましい成
形表面形状を持ぢ、外径１５．２ｍｍ（０，６”）およ
び長さ１７．８ｍｍ　（０，７”）の、二つの硝子鋳型
を準備する。　また、内径１５．２ｍｍ　（０，６”）
、外径２０．３ｍｍ（０，８”ｌ、　　　長さ５７．１
５ｍｍ４２．２５−１の素子スリーブ（５８）、内径６
．３５ｍｍ（０，２５”）　、外径１５．２ｍｍ（０，
５−１、厚さ１．５７ｍｍ（０，０６２”ｌの素子リン
グ（６４）、　および半径２．４９４±０．００２４ｍ
ｍの球形半製品（６８）を準備する。　鋳型および素子
リングの外径と、素子スリーブの内径との間の１法公差
は、０．００２５４ｍｍ（０００旧°゛）である。

前に説明した方法により５ｃｈｏＬｔ　Ｆ６光学硝子が
ら製作した硝子鋳型（６０）を、炭化タングステン製の
スリーブ（５８）の中に入れる。　次に、炭化タングス
テン製の素子リング（６４）を硝子鋳型（６０）の表面
上に載せる。　工具鋼製の基盤（５６）上に載せたタイ
プ３０４ステンレス鋼スリーブポスト（５４）の上に、
スリーブ（５８）、硝子鋳型（６０）、および素子リン
グ（６４）を載せる。　上記のアルカリアルミノフルオ
ロリン酸塩光学硝子製の、半径２４９４±０．００８ｍ
ｍ　、質量０．２４７０±０．００２４ｇの球形素子半
製品（６８）を素子リング（６４）の中に置く。　次い
で、第二の硝子鋳型（７０）をスリーブ（５８）の中に
、素子半製品（６８）と接する様に置く。　タイプ３０
４ステンレス鋼製の押し棒（７４）をスリーブ（５８）
の中に、硝子鋳型（７０）に接する様に置けば、鋳型の
ザブアセンブリーが完成する。

基盤（５６）上に別の→ノ゛ブアセンブリーを追加して
組み立てても良いし、追加の基盤ユニット上に別のサブ
アセンブリーを組み立てても良い。　この場合、多数の
光学素子またはレンズを一度に成形でき、生産性が大幅
に向上する。　その様な実施形態では、　各サブアセン
ブリーに接し、それらに、ここに説明した様に力をかけ
るために、圧縮する油圧または空気圧シリングーに、複
数のアムを取り付けるか、またはシリング−と共に作動
させる。

これらの基盤ユニット上に組み立てたサブアセンブリー
を、ブルーアイランド、ＩＬのＢｌｕｅ　ＭＥｌｅｃｔ
ｒｉｃ　Ｃｏ、製のＵＬＴＲＡＴＥＭＰ”不活性気体炉
Ｍｏｄｅｌ　ＩＧＦ　９９８０−４の中に置く。　この
不活性気体炉は、外部の空気圧シリンダーに接続した押
し棒の下に、基盤ユニット用の支持枠を収容する様に改
造しである。　空気圧シリンダーは、Ｂｅ１．１ｏｗｆ
ｒａｍ　Ｃｏ、、ＳＲ２，Ｎｅｗｅｌ、　Ｗ、　Ｖａ、
製のＭｏｄｅｌ＃Ｄ−１６−Ｆ−３Ｍ−ＵＭである。　
この炉は、強制気体循環炉である。

炉を閉じ、Ｎ２により、約４０分間、流琶約３５０−４
００ｓｃｆｈで内部の空気を追い出す。　炉中の空気を
追い出した後、Ｎ２の流量を約９Ｏ−１１０ｓｃｆｈに
下げその水準で、それ以後の作業中、不活性気体雰囲気
を維持する。　　次いで、電気式加熱素子にょす、炉を
約３７５°Ｃの温度に加熱し、その温度に保つ。

その温度に約１００分間維持した後、空気圧シリンダー
を押し棒に接触させ、３３ｐｓｉの圧力をシリング−に
かける。　　その圧力は鋳型装置に伝わり、そのまま約
１０分間保持する。

圧縮が完了した後、　　シリングー押し棒を引き戻し、
炉の設定温度調節機の温度を約２５°Ｃに下げる。　炉
の通風弁を開き、外部の空気循環を始動させて自然冷却
させる。　その様な自然冷却は約８０分間続け、その後
、炉へのＮ２供給を停止する。

次いで、基盤ユニットを炉から取り出し、光学硝子素子
またはレンズ（５２）をサブアセンブリーから取り外す
。

必要なら、硝子光学素子を、毎分２°Ｃの速度で２５９
　’Ｃに加熱し、次いで毎分１．１５’Ｃの速度で３２
９００に加熱し、３２９°Ｃで５分間保持し、次に毎分
０．８６″Ｃの速度で２２５°Ｃに冷却し、次いで毎分
３．４６６の速度で２０°Ｃに冷却することにより、焼
きなましすることができる。

本発明により、第一および第二の硝子鋳型を形成するこ
とにより、以下の理由から、著しい経済性と利益が得ら
れることが分かった。　通常の金属製の鋳型は、関与す
る各種の化学物質による攻撃、傷、変形、その他の理由
で精密成形に向かなくなるまでの推定寿命が約３００サ
イクルである。

本発明のマスターの野命は約８０サイクルであるが、マ
スターから形成される各硝子鋳型は、その後、約１００
成形サイクル使用できる。　したがって、本発明の硝子
鋳型を、本発明に係わる硝子光学素子の成形に使用する
ことにより、１０倍の経済性が実現できる。　即ち、本
発明に係わる各マスターに対して、約３０００個の硝子
光学素子を製造できるのに対し、先行技術による方法で
はその様な素子が３００個製造できるだけである。

本発明を、好ましい実施形態を参考にしながら説明した
が、この技術に精通した者には、請求項により規定され
る本発明の精神および範囲から逸脱することなく、各種
の変形が可能であることが分かる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る硝子鋳型を形成する方法を示す
、装置の立体断面図を、 第２図は、本発明の硝子鋳型の−っを形成するのに適し
た塊、つまり半製品の正面図を、第３図は、本発明によ
り形成した硝子鋳型の一方の鋳型の断面図を、 第４図は、本発明に係る硝子鋳型を形成するのに適した
もう一つの塊、　つまり半製品の正面図を、 第５図は、本発明により形成した硝子ｎ型のもう一方の
鋳型の断面図を、 第６図は、本発明に係る方法を示す、硝子光学素子形成
方法を示す、装置の断面図を、第７図は、本発明により
成形した硝子光学素子の断面図を示す。 １０・・・半製品　　　　　　１２・・マスタースリー
ブ１４・・・成形マスター（鋳型素子）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）第一および第二の対置した表面を持つ硝子光学素子
   を製作する方法において、該光学素子用の光学成形表面
   を形成する少なくとも一つの硝子鋳型を形成する工程が
   、 硝子鋳型を形成するための、マスター鋳型キャビティを
   備えたマスターを作成し、 そのマスター鋳型キャビティの中にある量の硝子鋳型材
   料を入れ、 光学表面を形成するための硝子鋳型表面を持つ、硝子鋳
   型を成形することから成り、 該硝子鋳型表面が少なくとも部分的に、予め決定した、
   望ましい大きさ、形状および容積を持つ硝子鋳型キャビ
   ティを形成することを特徴とする方法。 ２）さらに、第二の硝子鋳型を形成するための、第二の
   マスター鋳型キャビティを備えた第二のマスターを作成
   し、 該第二のマスター鋳型キャビティの中に第二の量の硝子
   鋳型材料を入れ、 第二の光学表面を形成するための、第二の硝子鋳型表面
   を持つ、第二の硝子鋳型を成形することから成る工程を
   含み、 該第一および第二硝子鋳型表面が、作動関係において、
   予め決定した、望ましい大きさ、形状および容積を持つ
   硝子鋳型キャビティを形成することを特徴とする請求項
   １記載の方法。 ３）さらに、該第一および第二鋳型表面が部分的に、予
   め決定した容積を持つ鋳型キャビティを形成する様に、
   該第一および第二鋳型を、対置した、共同作用する関係
   に配置し、 該鋳型キャビティの中に予め決定した量の光学素子材料
   を入れ、 第一および第二の対置した光学表面を持つ該光学素子を
   成形する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方
   法。 ４）さらに、該第一および第二鋳型表面が部分的に、予
   め決定した容積を持つ鋳型キャビティを形成する様に、
   該第一および第二鋳型を、対置した、共同作用する関係
   に配置し、 該鋳型キャビティの中に予め決定した量の光学素子材料
   を入れ、 第一および第二の対置した光学表面を持つ該光学素子を
   成形する工程を含むことを特徴とする請求項２記載の方
   法。 ５）該第一および第二マスター鋳型が、金属、または硝
   子セラミックから形成されている、または本質的に、重
   量パーセントでＳｉＯ＿２４２．７、ＰｂＯ４６．８、
   ＢａＯ２．５、Ａｌ＿２Ｏ＿３０．１、Ｋ＿２Ｏ５．４
   、Ｎａ＿２Ｏ２．５から成る組成物から形成されている
   ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の方法
   。 ６）該量の硝子の少なくとも一方が、形が本質的に円筒
   状で、その一端に隆起部を持つ硝子の塊から成ることを
   特徴とする請求項１、２、３または４記載の方法。 ７）該第二の量の硝子が、形が本質的に円筒状で、その
   円筒表面に沿った、その各縁部で、突き出た肩を持つ硝
   子の塊から成ることを特徴とする請求項３または４記載
   の方法。 ８）該第一マスターが、突起およびその回りに配置する
   マスターリングを含むことを特徴とする請求項１、２、
   ３または４記載の方法。 ９）さらに、第一および第二の量の硝子鋳型材料をそれ
   らの軟化温度に加熱する工程を含むことを特徴とする請
   求項１、２、３または４記載の方法。 １０）該成形工程のそれぞれが、さらに、その様に形成
   した各アセンブリーに、力をかける段階を含むことを特
   徴とする請求項１、２、３または４記載の方法。 １１）各量の硝子を炉中で加熱し、該炉中で不活性気体
   雰囲気、例えば窒素雰囲気中で成形することを特徴とす
   る請求項１、２、３または４記載の方法。 １２）さらに、成形の際、該第一および第二の量の該硝
   子または硝子鋳型材料およびそれぞれのマスターを均熱
   する工程を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法
   。 １３）各成形工程が、さらに、その様に形成した各アセ
   ンブリーに力をかける段階を含むことを特徴とする請求
   項１２記載の方法。 １４）さらに、該硝子鋳型または硝子素子を焼きなまし
   する工程を含むことを特徴とする請求項１、２、３また
   は４記載の方法。 １５）該量の鋳型材料をＲＦ誘導電界により加熱するこ
   とを特徴とする請求項１４記載の方法。 １６）さらに、該第一硝子鋳型と第二硝子鋳型との間に
   素子リングを配置する工程を含み、該硝子鋳型キャビテ
   ィの外径が該リングの内径により決定されることを特徴
   とする請求項３または４記載の方法。 １７）さらに、拘束手段、例えばスリーブを準備し、該
   手段の中で、該第一および第二硝子鋳型を相対して作動
   する関係に配置する工程を含むことを特徴とする請求項
   ３または４記載の方法。 １８）各該量の材料が球であることを特徴とする請求項
   １、２、３または４記載の方法。 １９）拘束手段、 突起部およびその突起部上の成形表面から 成り、該拘束手段中に配置したマスター成形部材、 予め決定した正確な厚さおよび内径を持つ リングで、該突起部の成形表面および該リングだけが該
   拘束手段の中で露出する様に、該突起部の回りに配置し
   たマスターリング、 該拘束手段の中で該突起部の該成形表面と 相対して共同作用する関係に配置した、力をかける手段 から成り、該マスターリングの露出した表面および該突
   起部の露出した表面が、硝子半製品を受け入れるための
   キャビティの一部を形成する請求項１、２、３または４
   記載の方法を実行するための装置。 ２０）硝子製で、該第一光学表面を形成するための第一
   硝子成形表面を持つ、成形した第一鋳型、該第二光学表
   面を形成するための第二硝子 成形表面を持つ第二鋳型、 予め決定した望ましい厚さを持ち、該予め 決定した直径に相当する直径を持つ、中央の縦方向の開
   口部を形成するリング、および 該第一および第二硝子成形表面が相対して 共同作用する関係に配置される様に、該第一鋳型と第二
   鋳型との間で、該精密挿入物を保持するための拘束手段
   から成り、 該リングおよび該第一および第二硝子成形 表面が、予め決定した容積を持つ鋳型キャビティを形成
   する請求項１、２、３または４記載の方法を実行するた
   めの装置。 ２１）さらに、該鋳型および該拘束手段と共に作動する
   関係に配置した、該鋳型に力をかけるための手段を含む
   ことを特徴とする請求項２０記載の装置。 ２２）該拘束手段が、該鋳型および該マスターリングま
   たはリングに圧力をかけるための該手段を密接して取り
   巻く、中空の管状スリーブ部材であることを特徴とする
   請求項１９、２０または２１記載の装置。 ２３）該拘束手段が、該鋳型およびリングを密接して取
   り巻く、中空の管状スリーブ部材であり、該第二の鋳型
   が硝子で成形してあることを特徴とする請求項２０記載
   の装置。 ２４）さらに、その様にして形成したアセンブリーを加
   熱するための手段、例えばその様に形成したアセンブリ
   ーを中に入れるＲＦ誘導電界、または炉を含むことを特
   徴とする請求項１９または２０記載の装置。 ２５）該マスターリングまたはスリーブが、炭化タング
   ステン製、または硝子セラミック製、またはステンレス
   鋼製であることを特徴とする請求項１９または２０記載
   の装置。 ２６）該第一および／または第二鋳型が硝子製、硝子セ
   ラミック製、または金属製であることを特徴とする請求
   項２０記載の装置。 ２７）該硝子の組成が、平均重量パーセントで、ＳｉＯ
   ＿２４２．７、ＰｂＯ４６．８、ＢａＯ２．５、Ａｌ＿
   ２Ｏ＿３０．１、Ｋ＿２Ｏ５．４、Ｎａ＿２Ｏ２．５か
   ら成ることを特徴とする請求項２６記載の装置。 ２８）力をかけるための該手段が、空気圧または油圧シ
   リンダーを含むことを特徴とする請求項１９または２０
   記載の装置。 ２９）該マスターおよびマスターリングの少なくとも露
   出した表面にニッケルを被覆してあることを特徴とする
   請求項１９〜２８のいずれか１項記載の装置。 ３０）さらに、力を掛ける該手段と、該マスターおよび
   マスターリングの露出した表面との間に配置した押し棒
   を含むことを特徴とする請求項１９〜２８のいずれか１
   項記載の装置。