JPH10152331A

JPH10152331A - 光学素子の成形方法

Info

Publication number: JPH10152331A
Application number: JP31050996A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Yamamoto; 潔山本; Takeshi Nomura; 剛野村; Nobuyuki Nakagawa; 伸行中川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-11-21
Filing date: 1996-11-21
Publication date: 1998-06-09
Anticipated expiration: 2016-11-21
Also published as: JP3618936B2

Abstract

(57)【要約】【課題】レンズの外径部分やその他の光学素子の側面
部でのバリの発生を防止したり、胴型からのスムーズな
成形品の取り出しが実現できる光学素子の成形方法を提
供する。【解決手段】光学有効面を形成する型部材と非光学有
効面を形成する型部材とを有する成形用型を用いて、ガ
ラス素材をプレスし、光学素子を成形する方法におい
て、プレスする際に、非光学有効面を形成する型部材の
温度を、光学有効面を形成する型部材の温度よりも５〜
５０℃低くなるように、温度制御することを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加熱軟化した光学
用ガラス素材を、成形用型によって、プレス成形し、光
学素子を得る成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、所定の表面精度を有する型部材で
構成された成形用型内に、光学用ガラス素材を収容し
て、加熱軟化して、プレス成形することにより、従来の
ような研削、研磨などの後加工を必要としない、高精度
の光学機能面（光学有効面）を有する光学素子を製造す
る方法が開発されている。

【０００３】このようなプレス成形法では、一般に、成
形用の上・下型部材を、それぞれ、胴型部材内に摺動可
能に可能に嵌挿した状態で、互いに、その成形面を対向
配置し、これら上・下型部材及び胴型部材により構成さ
れる成形用型内のキャビティに、成形用ガラス素材を導
入し、このガラスガラス素材を成形可能温度まで、即
ち、ガラス粘度で１０⁸〜１０¹²ｄＰａＳとなる温度ま
で型部材を加熱し、その後、成形用型を閉じ、適宜な時
間、プレスする。

【０００４】このようにして、上・下型部材の成形面の
形状を成形用ガラス素材表面に転写し、その後、型部材
を、成形用ガラス転移温度よりも十分に低い温度まで冷
却し、そして、プレス圧力を除去し、成形用型を開い
て、成形済みの光学素子を取り出すのである。なお、こ
の成形に際しては、型部材の酸化防止のために、成形室
内では、非酸化性雰囲気、例えば、窒素雰囲気を採用す
る。

【０００５】この光学素子のプレス成形には、その形状
により、上・下型部材の成形面によって形成される両光
学機能面（光学有効面）以外、例えば、レンズの場合、
その外周部分を自由表面とする場合と、胴型に代表され
るような第３の型部材によって、非光学有効面が胴型の
成形面で規制されて、形成される場合との二様の成形方
法が採用される。

【０００６】後者の例としては、芯取りをしないで、レ
ンズの外径部分を、型によって形成し、そのままのレン
ズを、鏡筒に組み込む場合の光学素子がある。さらに、
シリンドリカルレンズやトーリックレンズなどのよう
に、外周が円ではなく、矩形の場合には、光学素子の側
面を、型によって規制し、形成するのである。

【０００７】以上のような、光学素子の外径部分や側面
を、型によって形成する場合、その部分は、光学的に非
有効面であることが多いため、光学機能面のように、高
い光学的精度（形状精度：０．５μ、表面粗さ：Ｒｍｓ
＝５ｎｍ程度）を必要とせず、通常の機械的精度（形状
精度：５μ程度、鏡面不要）があれば十分である。

【０００８】このような、光学素子の外径部分や側面部
を、型によって形成する場合の幾つかの例をあげるなら
ば、以下の通りである。即ち、特開昭５８−８４１３４
号公報には、その第１図に示されるように、円筒形の胴
型の内部と、これに摺動する上・下型部材により構成さ
れる、完全に密閉されたキャビティに、ガラス素材を充
満させる成形方法が開示されている。この方法では、キ
ャビティの容量が可変であり、得られるレンズの厚さ
は、ガラス素材の体積によって決定される。

【０００９】また、第２図においては、成形品の外径を
形成するリング部材と、上・下型部材とによって、前記
リング部材内面にガラス素材が部分的に当接することは
あるが、成形品の肉厚を一定に保つように、形成される
キャビティに、完全にガラス素材を充満させないで、成
形する方法が開示されている。この方法では、得られる
レンズには、型によって制限されない幾らかの自由表面
が存在し、このため、バリを形成しないという利点があ
る。

【００１０】また、特開昭６０−１１８６４０号公報に
は、リング状の胴型に載せたガラス素材を、上・下型部
材によりプレスした後、リング状胴型ごと、成形品を取
り出す方法が開示されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これら従来の
例においては、次のような欠点がある。即ち、前者の、
特開昭５８−８４１３４号公報の、第１図に示す方法で
は、上・下型部材と胴型との嵌合箇所における隙間に、
ガラス素材が入り込んで、所謂、バリが発生し、その結
果、型部材の摺動が不可能になったり、それが原因で、
型自体の破損につながることもある。また、仮に、具合
良く成形できても、ガラス自体が胴型の内面に密着して
いて、成形品をスムーズに取り出すことが困難である。
このような強い密着状態は、胴型を構成する材料の、ガ
ラスに対する離型性が悪いことや、胴型の表面粗さのた
めに、ガラスが表面の凹凸に食い込んで、外れなくなる
などが原因と考えられる。また、第２図に示す方法で
は、バリは発生しないが、矢張り、胴型からガラス成形
品をスムーズに取り出せないという問題は解決されてな
いのである。

【００１２】また、後者の、特開昭６０−１１８６４０
号公報の方法でも、リング部材と上・下型部材との隙間
に、ガラスが入り込んだり、リング部材から成形品がス
ムーズに取り出せなくなる、所謂、離型性の悪さという
問題がある。

【００１３】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
ので、レンズの外径部分やその他の光学素子の側面部で
のバリの発生を防止したり、胴型からのスムーズな成形
品の取り出しが実現できる光学素子の成形方法を提供す
ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、発明者の鋭意
努力によって、成形用型と成形品との離型性が、プレス
する際の両者の界面の温度によって、大きく左右される
ことを発見したことから成されたもので、光学有効面を
形成する型部材と非光学有効面を形成する型部材とを有
する成形用型を用いて、ガラス素材をプレスし、光学素
子を成形する方法において、プレスする際に、非光学有
効面を形成する型部材の温度を、光学有効面を形成する
型部材の温度よりも５〜５０℃低くなるように、温度制
御することを特徴とする。

【００１５】即ち、成形される光学素子の光学機能面
（光学有効面）を形成する場合、一般に、型部材の界面
の温度を高くした方が密着性がよくなって、型部材の成
形面の形状の転写性が向上する。逆に、光学機能面が必
要でない場合、離型性の方が重要であるから、界面の温
度は低くした方がよい。然るに、界面の温度は、型部材
の温度によって決定されるので、各型部材の温度を、成
形される光学素子の対応する面によって、その要求され
る品質に応じて高くしたり、低くしたりすれば、最適な
成形条件が得られると考えられるのである。例えば、光
学素子の外径部分を、胴型で規制して、形成する場合、
外径は光学機能面（光学有効面）ではなく、胴型からの
取り出しがスムーズにできることが必要であるため、胴
型の温度を低くすることが望ましい。

【００１６】さらに、胴型の温度を低くすることによっ
て、上・下型部材と胴型との隙間にガラスが入り込むこ
とを防止できる効果もあることを発見した。即ち、上・
下型部材と胴型とが等温度であれば、隙間にガラスが入
り込んで、光学素子にバリが発生するが、胴型の温度を
低くすることによって、胴型に接触したガラス表面の温
度が低下して、ガラスの粘性が部分的に増大し、前記隙
間に入り込むことを防止できるのである。

【００１７】なお、本発明において、非光学有効面を形
成する型部材の温度を、光学有効面を形成する型部材の
温度より５〜５０℃程度、低くする理由には、次のよう
なことがあげられる。即ち、光学素子を成形する場合、
型の光学的精度を忠実にガラスに転写する必要があり、
そのためには、型とガラスが完全にかつある程度の力で
密着することが重要である。

【００１８】その密着状態を支配する大きな要因は、型
とガラスの界面の温度である。このことを考慮して、通
常、プレス成形は、そのガラス粘度で、１０⁹ｄＰａＳ
に相当する温度付近で行われるが、光学素子の形状やガ
ラスの種類によって、個々に、その最適な条件が設定さ
れる。だだし、設定された最適条件とは、光学有効面を
形成するのに好適な条件であって、非光学有効面を形成
するためには必ずしも適しているとはいえない。

【００１９】次に、非光学有効面を型によって形成する
場合、光学的な精度は必要でなく、ある程度の機械的精
度が確保されていれば、十分である。即ち、必要なの
は、型部材からの離型性であって、型部材とガラスとの
密着性を弱くするのが好ましく、さらに、もう一つ必要
なことは、型部材相互の隙間に、ガラスが入り込まない
ように、その隙間の近くで、ガラスの粘度が高く成るよ
うにすることである。

【００２０】言い換えれば、光学有効面を形成する条件
と、非光学有効面を形成する条件とは、互いに異なって
いるべきであって、このためには、両者の間に温度差を
設けるのが有効であると言える。そのために、非光学有
効面の界面の温度は、光学有効面の界面の温度よりも低
くすることが必要であり、発明者の実験によれば、前者
を後者より５〜５０℃低くすれば、問題となるバリの発
生回避と、離型性の両方を満足できるのである。

【００２１】通常、型部材およびガラスの界面の温度
は、両者の熱容量の違いから、型部材の温度に等しいか
近いものである。そこで、非光学有効面を形成する型部
材の温度と、光学有効面を形成する型部材の温度との差
を適宜選択して、実験したところ、それが５℃未満の場
合、光学有効面界面と非光学有効面との界面での、ガラ
ス粘度の差が小さく、非光学有効面での離型性をよくし
たり、型部材間の隙間にガラスが入り込まないようにす
る効果は期待できなかった。

【００２２】また、非光学有効面を形成する型の温度と
光学有効面を形成する型の温度の差が５０℃を越える場
合、非光学有効面界面における温度が、光学有効面界面
に及ぼす影響が無視できなくなり、光学有効面の精度が
確保されなくなる。

【００２３】非光学有効面を形成する型部材（胴型ある
いはリング部材）の温度を、光学有効面を形成する型部
材（上・下型部材）の温度よりも低くするには、型部材
の熱容量や構造によって制御することもできるが、ヒー
ターの配置方法で制御する方法や、より積極的には、窒
素ガスなどの冷媒を使って温度制御する方法も可能であ
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１）図１は、本発明の第１の実施の形態を
示すための成形用型の構造図であり、また、図２は、そ
の成形品の図である。ここで、符号１は上型部材、２は
下型部材、３は胴型、４は冷却ガスの通路、５は成形さ
れるべきガラス素材、６は上型部材を加熱するためのヒ
ーター、７は下型部材を加熱するためのヒーター、８、
９はリード線、１０、１１、１２は熱電対、１３は成形
されたレンズ、１４はそのレンズの上面（光学有効
面）、１５はそのレンズの下面（同じく、光学有効
面）、１６はそのレンズの外周面（非光学有効面）、１
７はそれら上面と外周面の稜線、１８はそれら下面と外
周面の稜線を示している。なお、図１に示す成形用型
は、成形チャンバー（図示せず）の中で、Ｎ₂雰囲気下
に置かれている。

【００２５】而して、光学有効面１４、１５を形成する
上・下型部材１、２と非光学有効面１６を形成する型部
材（この実施の形態では、胴型３）とを有する成形用型
を用いて、ガラス素材５をプレスし、光学素子、即ち、
レンズ１３を成形する際に、胴型３の温度を、上・下型
部材１、２の温度よりも５〜５０℃低くなるように、温
度制御するのである。そのためには、熱電対１０、１
１、１２の測定結果で、ヒーター６、７を制御し、ま
た、冷却ガスの通路４への冷媒の供給量の制御を行う必
要があるので、そのための制御系（図示せず）も用意さ
れている。

【００２６】（実施の形態２）図３は、本発明の第２の
実施の形態におけるリング部材の構成を示し、また、図
４は、この実施の形態における成形用型の構造図であ
る。ここで、符号１９は非光学有効面を形成するための
型部材（この実施の形態では、リング部材）であり、２
０はガラス素材、２１は光学有効面を形成するための上
型部材、２２は、同じく、光学有効面を形成するための
下型部材、２３はリング部材１９を保持するための円筒
形のステージ、２４は上型部材を加熱するためのヒータ
ー、２５は下型部材を加熱するためのヒーター、２６、
２７はリード線、２８、２９、３０、３１は熱電対、３
２は冷却用の窒素ガスを噴出するためのノズル、３３は
成形されたレンズを示している。なお、図４に示す成形
用型は、成形チャンバー（図示せず）の中でＮ₂雰囲気
下に置かれている。

【００２７】而して、光学有効面を形成する上・下型部
材２１、２２と非光学有効面を形成する型部材（この実
施の形態では、リング部材１９）とを有する成形用型を
用いて、ガラス素材２０をプレスし、光学素子、即ち、
レンズ３３を成形する際に、リング１９の温度を、上・
下型部材２１、２２の温度よりも５〜５０℃低くなるよ
うに、温度制御するのである。そのためには、熱電対２
８、２９、３０、３１の測定結果で、ヒーター２４、２
５を制御し、また、冷却ガスの通路４への冷媒の供給量
の制御を行う必要があるので、そのための制御系（図示
せず）も用意されている。

【００２８】（実施の形態３）図５は、本発明の第３の
実施の形態を示す成形用型の構造平面図である（ここで
は、上型部材３９を省略した状態が示されている）。ま
た、図６はこの構造平面図におけるＹ１〜Ｙ２の断面図
である（ここでは、上型部材３９も表示されている）。
更に、図７は、同じくＸ１〜Ｘ２の断面図、図８は、成
形された光学素子（シリンドリカルレンズ）４０を示
す。ここで、符号３４、３５は側壁部を、また、３６、
３７は端壁部を示しており、これらによって、上・下型
部材３９、３８の外周を囲んでいる。なお、成形品４０
は、その光学有効面を上・下型部材の成形面で形成さ
れ、また、非光学有効面を各側壁部および端壁部で形成
されている。なお、このような成形用型は、成形チャン
バー（図示せず）の中でＮ₂雰囲気下に置かれている。
また、前述の実施の形態と同様に、熱電対、ヒーター、
冷媒の通路、これらの制御系などを装備している（図示
せず）。

【００２９】而して、光学有効面を形成する上・下型部
材３９、３８と非光学有効面を形成する型部材（この実
施の形態では、側壁部および端壁部からなる周壁部材）
とを有する成形用型を用いて、ガラス素材をプレスし、
光学素子、即ち、シリンドリカルレンズ４０を成形する
際に、周壁部材の温度を、上・下型部材３９、３８の温
度よりも５〜５０℃低くなるように、温度制御するので
ある。そのためには、当然、熱電対の測定結果で、ヒー
ターを制御し、また、冷却ガスの通路への冷媒の供給量
の制御を行う必要があるので、そのための制御系（図示
せず）も用意されている。

【００３０】

【実施例】

（第一の実施例）本発明の第１の実施の形態を具体的な
事例で示すと、以下の通りである。即ち、ここでのレン
ズ成形用素材としては、ＳＫ１２（ｎｄ＝１．５８３１
３、ｖｄ＝５９．４、Ｔｇ＝５０６℃、Ａｔ＝５３８
℃）が用いられ、これによって、直径：１１ｍｍ、中心
厚：５ｍｍのゴブを、予め作成して置く。このガラス素
材からＲ１＝１７．５７ｍｍ、Ｒ２＝６３．３５ｍｍ、
中心厚＝１．３ｍｍ、外径＝φ１４ｍｍの両凹レンズを
成形する。

【００３１】成形工程としては、素材であるガラスゴブ
を、図１に示す成形用型のキャビティ内に置き、成形用
型を加熱して、その上・下型部材を所定の温度に調整す
る。さらに、胴型３の温度を制御するために、窒素ガス
を通路４に流し、その流量によって型温度を所望の温度
に調節した。ガラスの温度が安定するのに必要な時間を
要するが、その後に、上型部材１を下降させて、プレス
成形し、光学素子を得た。その後、成形用型を冷却して
から、上型部材１を胴型３から抜き、成形されたレンズ
５を取り出した。

【００３２】この際、上・下型部材１、２と胴型３との
温度差を、下表のように、種々の成形条件において設定
し、実験を試みた。

【００３３】

【表１】上記のようになり、胴型の温度が成形型の温度よりも５
〜５０℃低い場合に、バリの発生もなく、胴型からの成
形品の取り出しもスムーズにできることが理解できる。
その結果、本発明の成形条件では、図２に示すように、
光学素子１３の稜線１７、１８は、完全なシャープ・エ
ッジ二は成らず、わずかに自由表面を持っており、バリ
の発生などはなかった。

【００３４】（第２の実施例）本発明の第２の実施の形
態を具体的な事例で示すと、以下の通りである。即ち、
ここでのレンズ成形用素材として、ＬＡＫ１２（ｎｄ＝
１．６７７９０、ｖｄ＝５４．９、Ｔｇ＝５６２℃、Ａ
ｔ＝５９３℃）が用いられ、これによって、直径：１３
ｍｍ、肉厚：３．７ｍｍの円板を作成した。このガラス
素材から、Ｒ１＝１５ｍｍ、Ｒ２＝２０ｍｍ、中心厚：
１．２ｍｍ、Ｒ２の面側の開口部の直径＝１１ｍｍ、外
径＝１５ｍｍの両凹レンズを成形する。

【００３５】成形工程としては、ガラス素材である円板
を、リング部材１９に載置して、ヒーターで成形可能温
度まで加熱し、該リング部材を搬送して、ステージ２３
に載置した。ステージ２３の上下部分には、予め、成形
可能温度に保持した上型部材２１と下型部材２２が待機
している。リング部材の搬送後、上・下型部材を互いに
接近させて、ガラス素材をプレス変形させる。

【００３６】この変形開始と同時に、ノズル３２からＮ
₂ガスを噴射して、リング部材１９の温度を、所望値ま
で低下させた。この温度調節は、迅速に行われ、ガラス
が変形して、その外周部がリング部材１９に接触するま
でに完了させる。変形完了後、転移点まで冷却した後
に、上・下型部材を開離させ、成型用型を開放して、成
形されたレンズを載せた状態のまま、リング部材１９を
取り出し、所定位置に搬送した後、リング部材１９から
レンズ３３を取り出した。

【００３７】この際、上・下型部材とリング部材との温
度差を、下表のように、種々の成形条件において設定
し、実験を試みた。

【００３８】

【表２】上記結果からリング部材の温度が成形型の温度よりも５
〜５０℃低い場合に、バリの発生もなくリング部材から
の成形品の取り出しもスムーズにできることがわかる。
その結果、本発明の成形条件では、得られたレンズの稜
線にバリの発生はなく、また、リング部材からの取り出
しもスムーズに行われた。

【００３９】（第３の実施例）本発明の第３の実施の形
態を具体的な事例で示すと、以下の通りである。即ち、
ここでのレンズ成形用素材として、ＬａＦ０１０（ｎｄ
＝１．７３３１０、ｖｄ＝４９．４、Ｔｇ＝５７１℃、
Ａｔ＝６００℃）が用いられ、これによって、直径：
３．７ｍｍ、長さ：３１ｍｍの円筒形ガラス素材を作成
した。このガラス素材から、上面Ｒ＝∞、下面の母線Ｒ
＝∞、子線Ｒ＝２８ｍｍのシリンドリカル面を有する、
長さ：３２ｍｍ、幅：１５ｍｍ、厚み：６．０２ｍｍの
シリンドリカルレンズを成形する。

【００４０】成形工程としては、素材である円筒を、図
５〜７に示す成形用型のキャビティ内に置き、成形用型
を加熱して、各型部材が所定の温度になるようにする。
なお、ここでは、個々の上・下型部材および周壁部材に
は、個別のヒーター（図示せず）がセットされていて、
それぞれの型部材の温度を、ある程度、任意に設定でき
るのである。そして、ガラスの温度が安定するのに必要
な時間の後に、上型部材３９を下降させて、光学素子を
プレス成形した。その後、各型部材を冷却してから、上
型部材３９を周壁部材から抜き、成形されたシリンドリ
カルレンズ４０を取り出した。

【００４１】この際、上・下型部材と周壁部材との温度
差を、下表のように、種々の成形条件において設定し、
実験を試みた。

【００４２】

【表３】上記結果から、周壁部材の温度が、上・下型部材の温度
よりも５〜５０℃低い場合に、バリの発生もなく、側壁
型からの成形品の取り出しもスムーズにできることがわ
かる。その結果、本発明の成形条件では、図８に示すよ
うなシリンドリカルレンズ４０の各稜線は、完全なシャ
ープ・エッジではなく、わずかに自由表面を持ってお
り、バリの発生などがなかった。

【００４３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、光学有
効面を形成する型部材と非光学有効面を形成する型部材
を具備する成形用型を用いて、ガラス素材をプレス成形
して、光学素子を成形する方法において、プレスする
時、非光学有効面を形成する型部材の温度を、光学有効
面を形成する型部材の温度よりも５〜５０℃低くするこ
とによって、型部材同士の隙間に、ガラスが入り込ん
で、バリになることを防止でき、しかも、成形品をスム
ーズに型から取り出すことが可能になったのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す成形用型の構
造図である。

【図２】同じく、その成形品の図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態におけるリング部材
の図である。

【図４】同じく、成形用型の構造図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態を示す成形用型の構
造平面図である。

【図６】同じく、Ｙ１〜Ｙ２の断面図である。

【図７】同じく、Ｘ１〜Ｘ２の断面図である。

【図８】同じく、その、成形された光学素子の図であ
る。

【符号の説明】

１上型部材２下型部材３胴型４冷却ガスの通路５ガラス素材６上型部材用ヒーター７下型部材用ヒーター８、９リード線１０、１１、１２熱電対１３成形されたレンズ１４上面（光学有効面）１５下面（光学有効面）１６外周面（非光学有効面）１７、１８稜線１９リング部材２０ガラス素材２１上型部材２２下型部材２３ステージ２４上型部材用ヒーター２５下型部材用ヒーター２６、２７リード線２８、２９、３０、３１熱電対３２窒素ガス噴出ノズル３３成形されたレンズ３４側壁部３５側壁部３６端壁部３７端壁型３８下型部材３９上型部材４０成形品

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学有効面を形成する型部材と非光学有
効面を形成する型部材とを有する成形用型を用いて、ガ
ラス素材をプレスし、光学素子を成形する方法におい
て、プレスする際に、非光学有効面を形成する型部材の
温度を、光学有効面を形成する型部材の温度よりも５〜
５０℃低くなるように、温度制御することを特徴とする
光学素子の成形方法。
【請求項２】前記非光学有効面を形成する型部材が、
光学素子の外径を形成するための胴型であることを特徴
とする請求項１に記載の光学素子の成形方法。
【請求項３】前記非光学有効面を形成する型部材が、
光学素子の外径を形成するためのリング部材であること
を特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形方法。
【請求項４】プレスする際に、冷媒によって、前記非
光学有効面を形成する型部材を冷却することを特徴とす
る請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子の成形方
法。