JPH0524859A - 光学素子の成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 本発明によれば、光学素子の成形に用いるガ
ラス素材の表面研削かつ表面処理した後、プレス加工し
て成形された光学素子の光学性能上、問題になる欠陥を
残さず光学素子を成形することができる。 ［構成］ コレット１の先端にガラス素材２を保持する
とともにこれに対向配置した導電性工具４の加工面４ａ
には電極７を配設するとともに前記導電性工具４には陽
極を、前記電極７には陰極をそれぞれ直流電源６より印
加し、かつ導電性工具４と電極７間に弱電性クーラント
を供給しつつ、ガラス素材２の研削加工を施す。その
後、前記ガラス素材を加熱等の表面処理後、再加熱工程
後、成形型にてプレス成形して所要の光学素子を成形す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加熱軟化したガラス素
材を光学素子成形用型によりプレス成形して光学素子を
成形する光学素子の成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レンズ，プリズム，フィルター等
の光学素子の多くはガラス等の光学素子成形用素材の研
磨処理による方法によって成形されてきた。

【０００３】前記研磨処理にはかなりの時間と熟練した
技術を必要とし、特に非球面レンズ等の複雑な形状の光
学素子を研磨処理によって成形するには一層高度な研磨
技術が要求される。したがって、多くの処理時間がかか
ることから短時間に大量生産することは困難であった。

【０００４】前記問題の対策として特開平２−１２０２
４２号公報に開示されている発明がある。同公報の発明
によれば、所望のレンズ形状に近似の形状に研削加工さ
れたガラス素材を、前記ガラス素材の軟化点以上に加熱
された高温の気体を前記ガラス素材の成形表面に吹き付
けて、ガラス素材の表層部を加熱・軟化し、表面粗さＲ
max 0.５μｍ以下にしてからガラス素材を成形型により
所望のレンズ形状にプレス成形することにより光学素子
の大幅なコスト低減が可能になるという技術が記載され
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記公
報記載の技術は、ガラス素材を所望のレンズ形状に近似
の形状に研削するとき、従来の細かなダイヤモンド砥石
を用いた研削工具では研削工具の加工面に目づまりが生
じ、加工能力が低下するとともに深いクラックが発生
し、そのクラックがガラス素材の表面部深く残るため、
その後に加熱により表面粗さをＲmax 0.５μｍ以下にし
ても所望の鏡面を得ることができないという問題があっ
た。

【０００６】よって本発明は前記従来の問題点に鑑みて
発明されたものであり、安価な装置で滑らかな鏡面を有
するガラス素材を短時間に得る光学素子の成形方法の提
供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の成形方法は、加
工面を被加工素材としてのガラス素材の所要曲率と同一
形状に形成した導電性研削工具に陽極を印加するととも
に、前記導電性研削工具の加工面との間に一定の距離を
保つ電極に陰極を印加し、かつ導電性研削工具と電極と
の間に弱電性クーラントを供給しつつ前記ガラス素材の
表面粗さをＲmax 0.５μｍ以下に加工するガラス素材の
研削加工工程と、前記研削加工後のガラス素材を加熱軟
化して表面粗さをＲmax 0.１μｍ以下にするガラス素材
の表面処理工程と前記表面処理後のガラス素材を再加熱
して軟化したガラス素材を一対の成形型間にてプレス成
形して所要の光学素子を成形する前記ガラス素材のプレ
ス成形工程とから成るものである。

【０００８】

【作用】本発明の前記工程中、ガラス素材をＥＬＩＤ研
削により加工することによって研削工具の加工面を常に
まんべんなくドレッシングするため、前記研削工具の加
工面が目づまりすることがなく、正常な加工能力を維持
し続けることができ、前記ガラス素材の表面の粗さおよ
びクラックの深さを飛躍的に向上させることができる。

【０００９】さらに、前記ＥＬＩＤ研削により加工され
たガラス素材を加熱軟化することにより、ガラス素材の
形状をほとんど変形させることなく、表面粗さを一層向
上した鏡面のガラス素材を得ることができる。

【００１０】しかして、前記鏡面に加工されたガラス素
材を用いてプレス成形することにより光学性能上全く問
題のない光学素子を得ることが可能になる。

【００１１】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を用いて具体的に
説明する。

【００１２】

【実施例１】図１〜４は本発明の光学素子成形方法の実
施に当たって実施例１に使用する光学素子成形方法の説
明図で、図１はＥＬＩＤ研削による研削装置の説明図、
図２は同研削装置の電極と研削工具の位置関係を示すＡ
−Ａ矢視図、図３は両面をＥＬＩＤ研削した中肉厚のガ
ラス素材を示す図、図４は光学素子成形装置の図であ
る。

【００１３】図１および図２において、矢印Ｂ方向に回
転自在に設けられたコレット１の先端には、押生地等の
ガラス素材２がコレット１の回転と同軸上でコレット１
により保持されており、前記ガラス素材２の加工面２ａ
は所望の曲率ＲＡに加工された面となっている。

【００１４】また、矢印Ｃ方向に回転自在に設けられた
工具保持軸３はその回転軸３ａの軸線がガラス素材２の
軸線２ｂに対してαのスイベル角になるように対向配置
されている。前記工具保持軸３の先端にはダイヤモンド
粉末等の砥粒（砥粒は♯１０００〜♯１５００が望まし
い）とＣｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ等の金属あるいは合金や
導電性樹脂を結合材として全体が導電性を有するカップ
型に形成された導電性研削工具４が同軸上に固着されて
いる。

【００１５】この導電性研削工具４の加工面４ａはガラ
ス素材２の加工面２ａと対応するように曲率ＲＡに形成
されている。また、工具保持軸３にはブラシ５が接触す
るように設けられており、このブラシ５を介し、直流電
源６からの（＋）極を導電性研削工具４に印加すること
ができるようになっている。

【００１６】前記直流電源６は、電解加工用の直流電源
でパルス電圧を発生するようになっている。また、ガラ
ス素材２の加工面２ａの曲率ＲＡと近似形状の曲率ＲＡ
−ｌに形成された電極７が導電性研削工具４の加工面４
ａとわずかで均一な隙間ｌ（隙間ｌは0.１〜0.２mmが好
ましい）を隔てて設けられており、直流電源６からの
（−）極が印加されるようになっている。

【００１７】さらに、導電性研削工具４と電極７との隙
間ｌに弱電性クーラント８ａを噴出させるパイプ８が設
けられている。

【００１８】前記構成からなる光学素子研削装置による
研削加工において、パイプ８から弱電性クーラント８ａ
を噴出させるとともに、導電性研削工具４と電極７のそ
れぞれに直流電源６からのパルス電圧を印加しつつ導電
性研削工具４の加工面４ａをガラス素材２の加工面２ａ
に当接させ、切込軌跡９の矢印方向に従って導電性研削
工具４を移動させてガラス素材２の研削加工を行なう。

【００１９】このとき、導電性研削工具４の加工面４ａ
は前記加工面４ａとの間に一定の間隔を保った電極７に
より電解加工され、まんべんなくドレッシングされて、
加工面４ａを常に一定形状に保ちつつガラス素材２の形
状が安定して研削加工される。

【００２０】尚、導電性研削工具４の加工面４ａは加工
初期より常にガラス素材２の加工面２ａの曲率ＲＡと同
じ曲率に形成されているため、導電性研削工具４の加工
面４ａの変位が少なく、従ってガラス素材２の中心部に
おける凸部（ヘソ）を回避することができる。

【００２１】このようにして研削されたガラス素材２の
加工面２ａの表面粗さはＲmax 0.５μｍとなる。ガラス
素材２の裏面についても前記と同様に球面研削加工を行
い、裏面の曲率半径を所定のＲＢに、その表面粗さをＲ
max 0.５μｍになるまで研削加工し、厚さは研削の切込
み量を設定して、研削加工することにより、図３に示す
ような所定の中肉厚ｔに形成し、中肉厚のガラス素材１
０が得られる。

【００２２】また、球面創成の研削工程において、前記
導電性研削工具４のダイヤモンド砥粒、粒度を変更する
ことにより研削されたガラス素材２の表面粗さを変化さ
せることが可能である。

【００２３】さて、以上述べてきたＥＬＩＤ研削によっ
て研削加工されたガラス素材を用いて、図４に示す光学
素子成形装置により光学素子を成形する方法について説
明する。

【００２４】図４の光学素子成形装置において、筒状の
第１予備加熱炉１１の内部にはヒータ１２が配設され、
第２加熱炉２１の内部にはヒータ２５が配設されてい
る。前記第２予備加熱炉２１の一端には、加熱軟化した
ガラス素材をプレス成形する成形室１３が連結されてお
り、前記成形室１３には上下方向にそれぞれ摺動自在か
つ端面に所望のレンズ面形状を形成した上型１４，下型
１５が配設されているとともに、上型１４，下型１５を
それぞれ所望の型温度に加熱するヒータ１６，１７が断
熱材１８，１９に囲まれて設けられている。

【００２５】上型１４の端部側に設けられた２０は上型
１４側に貼りついたガラス素材１２を上型１４から離型
するための離型リングである。

【００２６】第１予備加熱炉１１の片端（図の左側）か
らガラス素材２２が顎付きのリング状載置皿２３に載置
され左右に進退自在な搬送アーム２４の端部に支持され
つつ搬入され、さらに第２予備加熱炉２１を通り、上下
型１４，１５間に搬送されるようになっている。

【００２７】前記構成から成る光学素子成形装置を使用
して成形されるガラス素材２２には材質がＳＫ１１のも
のを用い、前記ガラス素材２２をＥＬＩＤ研削により所
望のレンズ形状に近似の曲率半径２８mm，厚さ2.５mm，
外径１９mm，表面粗さＲmax0.５μｍにしたのち、前記
ガラス素材２２を載置皿２３に載置し、搬送アーム２４
により支持されつつ第１予備加熱炉１１内に搬送する。

【００２８】第１予備加熱炉１１内ではヒータ１２によ
りガラス素材２２をガラス粘土１０⁶ ポアズの温度にて
１分間均一に加熱した後、搬送アーム２４によって第２
予備加熱炉２１内ではヒータ２５により前記ガラス素材
２２をガラス粘土１０^7.65ポアズの温度にてサイド１５
秒間加熱させる。

【００２９】しかるのち、成形面の形状変化を調べるた
め搬送アーム２４を後退させ、ガラス素材２２を載置皿
２３から取出して冷却した。

【００３０】前記冷却されたガラス素材２２は表面粗さ
がＲmax 0.０６８μｍとなり、表面のクラックは目視で
は発見できない程の鏡面を得ていた。また、ガラス素材
２２の曲率半径は上面側がＲmax ２8.１９６mm、下面側
がＲmax ２7.８０２mmに変化していた。

【００３１】このあと、前記ガラス素材２２を再加熱し
て、転移点温度付近に加熱保持した上下型１４，１５に
よりプレス成形を行なった。成形されたガラス素材２２
は、上型１４の上昇中に離型リング２０により離型さ
れ、載置皿２３に載置されて搬送アーム２４により第１
予備加熱炉１１から搬出された。

【００３２】以上、述べたようにして成形された所望の
レンズ形状（非球面形状）のレンズは、その表面粗さが
Ｒmax 0.０４５６μｍとなり、またレンズの表面と内部
との温度差による割れもなく、光学性能を十分に満足す
る高性能のものであった。なお、これにより大幅なコス
ト低減も可能になった。

【００３３】また、第１予備加熱炉１１および第２予備
加熱炉２１内で加熱軟化したガラス素材２２を上下型１
４，１５間に直行してプレス成形しても、得られたレン
ズは前記と同様に高精度のものであった。尚、以下に
は、本発明の光学素子の成形方法を実施する際のＥＬＩ
Ｄ研削によるガラス素材の研削面の状況と、精研削によ
って研削された表面の状況について比較検討してみるこ
とにする。

【００３４】ＥＬＩＤ研削または精研削によって研削さ
れた研削面の状況としては、図５に精研削面、図６に精
研削＋トリートメント面の粗さが、また、図７にＥＬＩ
Ｄ研削面、図８にＥＬＩＤ研削面＋トリートメント面の
粗さが示されている。

【００３５】まず、図５の精研削面と、図１のＥＬＩＤ
研削面とを比較してみた場合、前記両者それぞれの表面
のＰＶ値が0.５０６μｍおよび0.６０２μｍでほぼ同じ
ＰＶ値を示しているが、ＥＬＩＤ研削面の方が深いキズ
が少ない点で異なることが判る。

【００３６】また、研削面に加熱によるトリートメント
を施した面の状況として、図６の精研削＋トリートメン
ト面および図８のＥＬＩＤ研削＋トリートメント面の両
者を比較してみた場合、前記研削加工だけの面の比較の
場合と同様にそれぞれのＰＶ値が0.０５２〜0.０６２μ
ｍで数値は略１桁改善されてはいるが、両者ともほぼ同
じＰＶ値を示している。

【００３７】しかしながら、図６の精研削＋トリートメ
ント面の場合はＰＶ値が約0.０５μｍのキズの集まりで
あるのに対し、図８のＥＬＩＤ研削＋トリートメント面
の場合はＰＶ値が約0.０２μｍ以下のキズの集まりであ
る大きなうねりとなっている点が異なり、前記両者にお
ける面の状況の比較において光学特性上、図８のＥＬＩ
Ｄ研削＋トリートメント面の方が優れていることが判
る。

【００３８】前記ＥＬＩＤ研削によって加工されたガラ
ス素材の表面粗さＲmax 0.５〜１μｍについては、表面
粗さが0.５μｍ以下の場合は光学性能上問題がなく満足
するものであるが、１μｍ以上になるとガラス表面に欠
陥が残ってしまう。

【００３９】従って、ガラス表面に欠陥を残さないよう
にするために、前述のとおり研削加工でガラス素材の調
寸および充分な表面粗さの処理をしてから、さらにガラ
ス素材を加熱軟化させ、その表面粗さをＲmax 0.１μｍ
以下になるまで改善してからプレス成形をするというこ
とが必要になってくる。

【００４０】

【実施例２】本実施例では使用するガラス素材の材質，
形状が実施例１の場合と同様で、前記ガラス素材１２を
ＥＬＩＤ研削により研削し、表面粗さを１μｍにしたの
ち、実施例１で使用した光学素子成形装置の第１，第２
予備加熱炉１１，２１にて加熱処理をした場合について
説明する。

【００４１】まず、前記ガラス素材１２を載置皿２３に
載置して搬送アーム２４により第１予備加熱炉１１内に
搬送し、前記第１予備加熱炉１１内にてガラス粘土１０
⁶ ポアズの温度にて２分間均一に加熱した後、搬送アー
ム２４により第２予備加熱炉２１内に搬送する。前記第
２予備加熱炉２１内では、前記ガラス素材２２をガラス
粘土１０^7.65ポアズの温度にて１５秒間加熱する。

【００４２】しかして、前記第１，第２予備加熱炉１
１，２１内にて加熱処理されたガラス素材２２の表面粗
さはＲmax 0.０７２μｍとなっており、球面形状は上面
側がＲmax ２9.５３９mm、下面側がＲmax ２7.７９２mm
となっていたが、前記表面粗さと球面形状のガラス素材
２２を上下型１４，１５によりプレス成形して得られた
レンズは表面粗さがＲmax 0.０４８μｍとなっており、
高精度なものであった。

【００４３】

【実施例３】本実施例でも、使用するガラス素材の材
質，形状が実施例１の場合と同様で、前記ガラス素材２
２をＥＬＩＤ研削により研削した表面粗さをＲmax ２μ
ｍにしたのち、実施例１で使用した光学素子成形装置の
第１，第２予備加熱炉１１，２１に加熱処理をした場合
について説明する。

【００４４】まず、実施例２の場合と同様にして第１予
備加熱炉１１内に搬入されたガラス素材２２を前記第１
予備加熱炉１１内において、ガラス粘土１０⁶ ポアズの
温度にて３分間均一に加熱した後、第２予備加熱炉２１
内に搬送し、同炉２１内にて均一に過熱することにより
得られたガラス素材２２の表面粗さはＲmax 0.０７５μ
ｍとなっており、球面形状は上面側がＲmax ３0.１７８
mm、下面側がＲmax ２7.７８１mmとなっていたが、上下
型１４，１５によりプレス成形して得られたレンズは表
面粗さがＲmax 0.０５０４μｍとなっており、前記実施
例１の場合と同様に高精度のものであった。

【００４５】以上説明してきたように角実施例において
は両凸非球面のレンズについて説明してきたが、前記両
凸非球面のレンズに限定されることなく両凹レンズやそ
の他の形状のレンズあるいはプリズム等の光学素子につ
いても適用できる。

【００４６】

【実施例４】本実施例においては、前記実施例１でガラ
ス素材２２をＥＬＩＤ研削にてその表面粗さをＲmax 0.
５μｍの所望のレンズ形状に加工しその後、前記ガラス
素材２２を２〜５ｗｔ％のフッ化水溶液に１５〜３０分
間浸す。この表面処理工程によりガラス素材の表面粗さ
はＲmax 0.０２μｍに向上させたものである。

【００４７】本実施例によれば、ＥＬＩＤ研削により研
削された表面粗さＲmax 0.５μｍの多量のガラス素材を
一度に表面処理することができるので、時間短縮が可能
になる。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、光学素子を成形用型間
でプレス成形するガラス素材を、ＥＬＩＤ研削加工法に
よる研削加工工程により充分に滑らかなガラス素材を得
ることが可能となるため、研削工程のあとで研磨工程を
入れて、さらに表面粗さを改善するという必要がない。
またＥＬＩＤ研削をしたガラス素材を加熱軟化して表面
処理し、その表面粗さをさらに改善して得られたガラス
素材は、その後のプレス成形において素材形状からの変
形が少なく、成形された光学素子の表面と内部との温度
差による割れもなく、その他の光学性能上問題になるよ
うな欠陥も全くない光学素子が得られ、かつ大幅なコス
ト低減を計ることが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学素子の成形方法の実施に当たって
使用するＥＬＩＤ研削加工の説明図。

【図２】図１における電極と研削工具の位置関係を示す
Ａ−Ａ線矢視図。

【図３】ＥＬＩＤ研削により両面を研削した中肉厚のガ
ラス素材を示す説明図。

【図４】本発明の光学素子の成形方法を実施するに当た
り使用する光学素子成形方法の説明図。

【図５】精研削面の表面粗さを示す説明図。

【図６】精研削およびトリートメント面の表面粗さを示
す説明図。

【図７】ＥＬＩＤ研削面の表面粗さを示す説明図。

【図８】ＥＬＩＤ研削およびトリートメント面の表面粗
さを示す説明図。

【符号の説明】

１ コレット ２ ガラス素材 ２ａ 加工面 ２ｂ 軸線 ３ 工具保持軸 ３ａ 回転軸 ４ 導電性研削工具 ６ 直流電源 ７ 電極 ８ パイプ ８ａ 弱電性クーラント ９ 切込軌跡 １０ 中肉厚のガラス素材 １１ 第１予備加熱炉 １２，１５，１６，２５ ヒータ １３ 成形室 １４ 上型 １５ 下型 １８，１９ 断熱材 ２０ 離型リング ２１ 第２予備加熱炉 ２２ ガラス素材 ２３ 載置皿 ２４ 搬送アーム

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 加工面を被加工素材としてのガラス素材
   の所要曲率と同一形状に形成した導電性研削工具に陽極
   を印加するとともに、前記導電性研削工具の加工面との
   間に一定の距離を保つ電極に陰極を印加し、かつ導電性
   研削工具と電極との間に弱電性クーラントを供給しつつ
   前記ガラス素材の表面粗さをＲmax 0.５μｍ以下に加工
   するガラス素材の研削加工工程と、前記研削加工後のガ
   ラス素材を加熱軟化して表面粗さをＲmax 0.１μｍ以下
   にするガラス素材の表面処理工程と前記表面処理後のガ
   ラス素材を再加熱して軟化したガラス素材を一対の成形
   型間にてプレス成形して所要の光学素子を成形する前記
   ガラス素材のプレス成形工程とから成る光学素子の成形
   方法。