JPH0432007B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、レンズ、プリズム、フイルタ等の
光学素子を研磨等の後加工することなく、ガラス
素材を加熱、軟化させ、所望の形状に対応した一
組の金型によりプレス成形する光学素子の成形方
法に関する。

［従来の技術］ 従来、上記光学素子の成形方法としては、例え
ば特公昭56−378号公報、特開昭58−84134号公報
または特開昭60−118639号公報等に開示されるも
のが知られている。これら従来の成形方法は、そ
の成形条件として加熱軟化させたガラス素材の温
度または粘度範囲、金型の温度範囲、プレスの圧
力範囲、プレス保持の時間範囲を制御していた。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、上記従来の成形方法のように、ガラス
素材の温度（粘度）、金型温度、プレスの圧力・
時間だけの制御では、成形レンズの肉厚、面精度
等の再現性が悪かつた。また一方、上記成形条件
を面精度が良好となるように設定すると、軟化ガ
ラスと金型とが融着し易くなり、金型の寿命が短
くなつてしまつた。この発明は、このような問題
点に着目してなされたもので、安定で再現性が高
く、高精度な光学素子を得ることができる成形方
法を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段及び作用］ 本発明者等は、従来の問題が今まで制御してい
なかつた成形条件に起因するものと考え、種々検
討した結果、プレススピードを制御することによ
り問題点が解決されることを見い出した。すなわ
ち、本発明は、軟化ガラスをプレス成形する光学
素子の成形方法において、軟化ガラスの温度をガ
ラス転移温度以上にするとともに、プレスに用い
る金型の温度を前記ガラス転移点温度より低く
し、プレススピードを10mm／sec以上としたもの
である。ここに、プレススピードとは、金型がガ
ラス素材に接触して減速される直前の金型のスピ
ード、つまりガラス素材に接触する直前の金型ス
ピードをいう。

プレススピードが、10mm／sec未満であると、
ガラス素材が十分に変形せず、所定のレンズ形状
を得ることができない。また、プレススピードが
極度に高速になるとガラス素材の変形がそのスピ
ードに追従できなくなつて、割れや焼付きが生じ
てしまうが、100mm／sec以下では満足な成形が得
られ、250mm／secまでは、ガラスの温度（粘度）、
金型温度、プレスの圧力・時間等の他の成形条件
を適宜選択すれば良好な成形を行うことができ
る。

第１図は、本発明の光学素子の成形方法におい
て使用する成形装置の一例を示すものである。第
１図に示すように、高温による酸化防止を考慮し
た石英ガラス管１の両端は、上板２および下板３
で閉塞され、成形室４が形成されている。また、
上板２と下板３とは、図示省略の部材で結合され
ており、相互間の距離および位置が変化しないよ
うに固定されている。されに、成形室４には、ガ
ス供給装置５が接続されており、成形室４内は、
酸化防止のために例えば窒素ガス等の不活性ガス
または還元性ガスが供給されて非酸化性雰囲気と
なつている。

成形室４内では、プレス圧力を測定するロード
セル６を介して上板２の内面に上型７が固設され
ている。また、成形室４内には、上型７に同軸的
に対向する下型８が下板３を介して導入されてい
る。下型８は、加圧およびスピード制御装置９に
より駆動制御されるプレス駆動軸１０に一体的に
設けられており、軸方向に移動可能で、上型７に
接近離反自在となつている。また、プレス駆動軸
１０には、電磁マイクロのプローブヘツド１１が
取付けられており、その移動量を測定できるよう
になつている。上型７と下型８とは、温度コント
ローラにより所定の温度に設定できる加熱装置
（図示省略）を備えている。

一方、成形室４には、ガラス素材１２を加熱す
る加熱炉１３が連通接続されている。加熱炉１３
内には、ガラス素材１２を保持する保持台１４が
水平方向に移動自在に設けられており、保持台１
４に載置されたガラス素材１２は、上型７と下型
８との間に搬送されるものである。

上記構成の成形装置によるレンズの成形は、ま
ず、ガラス素材１２を保持台１４上に載置し、図
示を省略した温度コントローラで所定の温度に設
定した加熱炉１３によりガラス素材１２を加熱す
る。その後、保持台１４を移動してガラス素材１
２を上型７と下型８との間に搬送し、下型８を上
動させて、上型７と下型８とでガラス素材１２を
加圧保持して行う。成形後は、下型８を下動させ
て離型し、徐冷炉（図示省略）を経て成形レンズ
を取り出す。なお、離型は、例えば上型７および
下型８の外周にて上下動自在の筒状の離型部材を
設け、この離型部材により離型を行うものであ
る。また、プレス駆動軸１０の駆動において、空
気圧や油圧によりシリンダを駆動するだけで圧力
とスピードとを別個に制御できない機構の装置で
は、プレスによる可動部分（シリンダ、下型等）
の重量によつて加速、減速の特性が異なるため、
この重量も考慮する必要がある。サーボモータ等
を使用した装置では、圧力（トルク）とスピード
とを別個に制御できるので、成形に適している。

以下、上記構成の成形装置を用いて行つた実験
結果により、成形におけるプレススピードの影響
について説明する。

第１図に示す装置により、重フリント系光学ガ
ラスSF１１からなる径６mm、厚さ２mmのガラス
素材をR₁＝R₂＝∞の金型で、ガラス素材加熱温
度630℃、金型温度470℃、プレス圧力100Kgｆ／
cm²の成形条件で成形した。そこで、成形中のレン
ズ肉厚の変化を電磁マイクロを用いて測定した結
果を第２図に示す。第２図は、横軸に成形時間、
縦軸に変形量をとつたもので、実線２１で示すよ
うに、ガラス素材をレンズに成形する場合、その
肉厚はプレス成形開始から約0.5秒で決定するこ
とが判明した。

また、上記成形において、成形中のガラス素材
の温度変化を熱電対を用いて測定した結果を第３
図に示す。第３図は、横軸に成形時間、縦軸に温
度をとつたもので、実線２２で示すように、ガラ
スの流動性の高い状態はプレス成形開始から１秒
しか保持しないことが判明した。

さらに、第４図は、横軸にガラス温度、縦軸に
ガラス粘度をとつたもので、実線２３で示すよう
に、ガラス粘度は温度に対して対数的に変化して
いる。第３図および第４図における実線２２およ
び実線２３の示す特性は、レンズの肉厚がプレス
成形開始後約0.5秒で決定するという第２図の結
果を裏づけている。従つて、プレス成形開始から
0.5秒間の加圧力を制御すればレンズ肉厚を高精
度で制御できることが判つた。

そこで、前記成形において、成形中のガラス素
材に加わる圧力の変化をロードセルを用いて測定
した。その結果を第５図に示す。第５図は、横軸
に成形時間、縦軸に成形圧力をとつたもので、実
線２４で示すように、設定した圧力に到達するの
はプレス成形開始から約0.5秒後であり、設定圧
力効果は0.5秒以降に顕著となることが判明した。
すなわち、従来のように、成形条件としてプレス
圧力等だけを制御するのでは、レンズ肉厚を決定
するのに最も重要なプレス成形開始後の0.5秒間
を全く制御できていないのである。そして、プレ
ス成形開始後の0.5秒間は、プレスの設定圧力で
なく、プレススピードが大きく影響を及ぼし、プ
レススピードを制御することでレンズ肉厚の再現
性を向上させることができるものである。

プレススピードを10mm／sec以上とすることに
より、ガラスの粘度が低くて流動性の高い状態で
大きな変形をさせることが可能となり、ガラス素
材はプレス直後に金型形状と等しくなつて、金型
面から受ける圧力分布が均一になる。このため、
金型面の転写性が向上して従来より良好なレンズ
面精度を得ることができた。また、同じ面精度を
得るについて、従来よりもガラス素材の加熱温
度、金型温度、成形圧力等を低くした条件で十分
に行うことができ、金型温度をガラス転移点温度
より低く設定でき、金型とガラス素材（レンズ）
との融着も防止される。

［実施例］ 第１実施例 第１図に示す成形装置を用いて重フリント系光
学ガラスSF１１からなるガラス素材をレンズ成
形した。ガラス素材は、径８mm、厚さ２mmの円筒
状ペレツトの上下面を平面研磨したものを用い、
最終レンズ形状は、径６mm、中心肉厚1.5mmのメ
ニスカス形状である。先ず、ペレツト状のガラス
素材１２を保持台１４上に載置し、加熱炉１３内
でガラス転移温度以上となるように加熱したガラ
ス素材１２の粘度を10⁸ポアズとした。次に、ガ
ラス素材１２を上型７と下型８との間に位置する
ように搬送した。そして、ガラス素材１２の温度
より低い温度（ガラス粘度10^14.5〜10^3.4に対応す
る温度）に加熱した上型７と下型８とで成形を行
つた。その際、下型８のプレススピードは、60±
５mm／secに制御してあり、成形圧力は80Kgｆ／
cm²であつた。

第１実施例により得たもののレンズ肉厚のバラ
ツキを第６図に、面精度のバラツキを第７図に示
す。第６図は、横軸にレンズ肉厚、縦軸に個数を
とつたもので、第７図は、横軸に面精度（ニユー
トン）、縦軸に個数をとつたものである。第６図
および第７図から判るように、第１実施例によれ
ば、レンズ肉厚、面精度のバラツキはほとんどな
く、レンズ肉厚の公差の激しい製品に対してもほ
ぼ100％の歩留りで供給することができた。

これに対し、従来の如くプレススピードを制御
せずに、他の成形条件を第１実施例と同一にして
行つた場合のレンズ肉厚および面精度（ニユート
ン）のバラツキをそれぞれ第８図および第９図に
示す。第８図は、横軸にレンズ肉厚、縦軸に個数
をとつたもので、第９図は、横軸に面精度、縦軸
に個数をとつたものである。第８図および第９図
から判るようにレンズ肉厚および面精度のバラツ
キは、第１実施例に比較して著しかつた。

第２実施例 第１図に示す成形装置を用いてクラウン系光学
ガラスＫ２からなるガラス素材をレンズ成形し
た。ガラス素材は、径８mm、中心肉厚1.4mm、R₁
＝50mm、R₂＝30mmの両凹レンズである。また、
所望のレンズは、面精度が目標球面半径に対して
ニユートンリング２本、イレギユラリテイ同0.3
本、アス同0.2本以内となるようにし、プレスス
ピードは、20mm／secと80mm／secの場合との二通
りに設定した。

プレススピードが20mm／secの場合には、上記
面精度を得るのに、ガラス素材加熱温度720℃
（約10^6.2ポアズ）、金型温度520℃（約10^13.1ポア
ズ）、成形圧力120Kgｆ／cm²、成形時間30秒を要し
た。これに対し、プレススピードが80mm／secの
場合には、上記面精度を得るのに、ガラス素材加
熱温度700℃（約10_6.8ポアズ）、金型温度500℃
（約10^13.8ポアズ）、成形圧力80Kgｆ／cm²、成形時
間15秒であつた。

すなわち、プレススピードを速くすることによ
り、低温、低圧、短時間で成形することが可能と
なることを示している。これは、成形プロセスの
サイクルタイムの短縮、金型材料の選択、ヒー
タ・熱電対等の長寿命化、金型とガラスとの融着
防止等に効果があり、成形の安定化に大きく寄与
するものである。

第３実施例 第１図に示す成形装置を用いて重フリント系光
学ガラスSF２からなるガラス素材をレンズ成形
した。ガラス素材は、径18mm、厚さ3.5mmで、最
終レンズ形状は、径16mm、中心肉厚1.9mm、R₁＝
11.8mm、R₂＝50.5mmの両凹レンズである。成形方
法は第１実施例と同様であり、ガラス素材の温度
600℃（約10⁶ポアズ）、金型温度420℃（約
10_13.7）、成形圧力90Kgｆ／cm²、プレススピード50
mm／secとした。

その結果、十分満足できる面精度を有したレン
ズを得ることができた。

これに対し、プレススピードを７mm／secとし、
他の成形条件を上記第３実施例と同様にして成形
を行つたところ、ガラス素材は十分に変形せず、
所定のレンズ形状が得られなかつた。そこで、ガ
ラス素材加熱温度や金型温度を高くして、プレス
スピード７mm／secで成形を行つたが、金型とガ
ラス素材との融着が生じてしまい、成形不能とな
つてしまつた。

［発明の効果］ 以上のように、本発明の光学素子の成形方法に
よれば、従来では制御の対象としていなかつたプ
レススピードをも制御することとしたので、成形
レンズの中肉、金型転写性のバラツキを著しく減
少することができ、しかも金型温度をガラス転移
点温度より低くしたので、金型とガラスとの融着
を防止でき、ガラス素材加熱温度および金型温度
ともに低温でかつ成形圧力を低く、短時間で安定
した成形を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学素子の成形方法において
使用する成形装置の一例を示す概略縦断正面図、
第２図は成形中のレンズ肉厚の変化を表わすグラ
フ、第３図は成形中のガラス素材の温度変化を表
わすグラフ、第４図はガラス温度とガラス粘度と
の関係を示すグラフ、第５図は成形中のガラス素
材に加わる圧力の変化を表わすグラフ、第６図お
よび第７図はそれぞれ第１実施例におけるレンズ
肉厚および面精度のバラツキを表わすグラフ、第
８図および第９図はそれぞれプレススピードを制
御しない場合におけるレンズ肉厚および面精度の
バラツキを表わすグラフである。 ４……成形室、７……上型、８……下型、９…
…加圧およびスピード制御装置、１２……ガラス
素材、１３……加熱炉。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 軟化ガラスをプレス成形する光学素子の成形
   方法において、軟化ガラスの温度を10⁸〜10⁶ポア
   ズ相当の温度にするとともに、プレスに用いる型
   の温度を前記軟化ガラスのガラス転移点温度未満
   で、ガラス粘度10^14.5ポアズ相当の温度以上の範
   囲に設定し、プレス速度を10mm／秒〜250mm／秒
   とすることを特徴とする光学素子の成形方法。