JP2007099527A

JP2007099527A - ガラス製プリフォームロット、ガラス製プリフォームの製造方法、光学素子の生産方法

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Publication number: JP2007099527A
Application number: JP2005287440A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sakawa; 博幸坂和; Hidenori Kawarai; 秀宣瓦井
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: CN1958487B; JP4448078B2; CN1958487A

Abstract

【課題】球状のプリフォームで構成された平均質量が３０ｍｇ以下、前記質量に対する質量公差の割合が±０．３％以内の、光学素子の精密プレス成形に供する複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォームロット、プリフォームの量産方法、ならびに上記プリフォームロットを用いた光学素子の製造方法を提供する。
【解決手段】ノズル２から流出する熔融ガラスをノズル下端に垂下させ、少なくともノズル下端に垂下する熔融ガラスの周囲をカバー５で覆った状態で、一定周期で垂下した熔融ガラスを落下させて熔融ガラス滴を得、熔融ガラス滴が冷却する過程でプリフォームに成形する。上記プリフォームが複数集まってプリフォームを構成する。ガラス製プリフォームロットからのプリフォームを加熱した後、精密プレス成形し、光学素子を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス製光学素子を精密プレス成形で製造する際に使用するガラス製プリフォームが複数個集まって構成されるガラス製プリフォームロット、前記プリフォームの量産方法、ならびに光学素子の製造方法に関する。

非球面レンズなどのガラス製光学素子を高精度に製造する技術として精密プレス成形法が知られている。この方法はモールドオプティクス成形法とも呼ばれ、精密に加工した成形面を有するプレス成形型を用いて、加熱されたガラス製のプリフォームをプレス成形し、光学素子全体の形状を成形するとともに、成形面を精密にガラスに転写して光学機能面を形成する。このような方法は例えば特許文献１に開示されている。

また、上記光学素子を製造するために用いられるガラスプリフォームは、例えば、特許文献2に開示されている、熔融したガラスを流出して、所望質量の熔融ガラス塊を分離し、このガラス塊が冷却する過程でプリフォームに成形する方法により生産することができる。
特開平１０−３１６４４８号公報特開２００２−１２１０３２号公報

近年、カメラ付き携帯電話のように撮像装置を内蔵する小型機器の需要が高まっている。このような撮像装置に組み込まれる撮像光学系は、超小型のレンズにより構成され、各レンズを精密に位置決め固定するために、位置決め基準面を備えることが好ましい。例えば、レンズ同士の間隔を精密に決めるための位置決め基準面としては、レンズ面の外周に設けた平面部を用い、レンズ同士の光軸を合わせるための位置決め基準面としては、レンズ側面を用いることができる。精密プレス成形は光学機能面を精密に形成できるだけでなく、光学機能面を含む型成形面を転写して形成する面同士の位置関係、角度をも精密に形成することができるので、位置決め基準面も型成形面を転写して形成すれば、光学機能面と位置決め基準面とを一括して形成することができる。

このように精密プレス成形の特質を活かせば効率よく超小型の光学素子を製造することができるが、一方でプリフォームの体積を精密に管理しないと、次のような問題がおきる。

まず、プリフォームの体積がプレス成形型を型閉めした状態で形成される空間の容積よりも大きい場合、プレス成形型を構成する型部材同士の間、例えば上型と胴型の間や下型と胴型の間にはみ出し、成形バリとなって型の摺動性を損ない、生産停止の原因になったり、プレス成形型の破損の原因になったりする。

一方、プリフォームの体積がプレス成形型を型閉めした状態で形成される空間の容積よりも小さい場合、前記空間へのガラスの充填が不十分になり、光学機能面の面精度が低下したり、ガラスの位置決め基準面になるはずの部分が型部材に到達せず、位置決め基準面が形成されなくなったりする。

したがって、光学機能面と位置決め基準面とを一括して形成する方法を可能にするには、体積精度、すなわち質量精度が高いプリフォームの使用が望まれる。

前述のように、ガラス製プリフォームを生産性よく製造する方法として、熔融したガラスを流出して、所望質量の熔融ガラス塊を分離し、このガラス塊が冷却する過程でプリフォームに成形する方法がある（特許文献２）。この方法を用いてプリフォームを生産すれば、ガラスの熔融から始まって、上記光学素子を極めて高い生産性のもとに量産することができる。しかし、上述のように、プリフォームの体積を精密に管理する必要があるが、従来のガラス製プリフォームを生産方法では、プリフォームの体積に僅かなバラツキがあり、上記プレス成形方法を用いるには、必ずしもプリフォームの体積管理は充分ではなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、小型の光学素子の精密プレス成形に適した、比較的軽量なプリフォームが複数集まって構成されるガラス製プリフォームロットであって、各プリフォーム間の体積のバラツキが非常に制御されたガラス製プリフォームロットを提供することを目的とする。さらに本発明は、前記各プリフォーム間の体積のバラツキが非常に制御されたプリフォームロットを熔融ガラスから生産する方法を提供することを目的とする。加えて本発明は、熔融ガラスからプリフォームの母材となるガラス成形体が複数集まったガラス成形体ロットであって、ガラス成形体間の体積のバラツキが非常に制御されたガラス成形体ロットを生産する方法、前記ガラス成形体ロットのガラス成形体からプリフォームを製造する方法、前記プリフォームロットの各プリフォームを精密プレス成形して光学素子を作製する光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は以下の通りである。
[１] 光学素子の精密プレス成形に供する複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォームロットにおいて、球状のプリフォームで構成された平均質量が３０ｍｇ以下、前記質量に対する質量公差の割合が±０．３％以内のガラス製プリフォームロット。
[２] ガラス製プリフォームが、精密プレス成形時にプレス成形型の成形面を転写して形成する面と自由表面からなる表面を有する光学素子を精密プレス成形するためのプリフォームである[１]に記載のガラス製プリフォームロット。
[３] 熔融ガラスを成形して精密プレス成形用のガラス製プリフォームを作製するガラス製プリフォームの製造方法において、ノズルから流出する熔融ガラスをノズル下端に垂下させ、一定周期で垂下した熔融ガラスを落下させて熔融ガラス滴を得、前記熔融ガラス滴が冷却する過程でプリフォームに成形するとともに、前記熔融ガラスの落下を、少なくともノズル下端に垂下する熔融ガラスの周囲をカバーで覆った状態で行うことを特徴とするガラス製プリフォームの製造方法。
[４] 落下した熔融ガラスを受ける面とノズル下端の距離を一定にして、一定周期で前記熔融ガラスの落下を行う[３]に記載のガラス製プリフォームの製造方法。
[５] 前記カバーを絶縁体で構成するとともに、カバーの周囲に配置した高周波コイルに高周波電流を流して、ノズルを高周波誘導加熱する[３]または［４］に記載のガラス製プリフォームの製造方法。
[６] ２０質量％超のＳｉＯ₂を含むガラスからなるプリフォームを成形することを特徴とする[３]〜［５］のいずれかに記載のガラス製プリフォームの製造方法。
[７] ガラス製プリフォームに成形する工程を繰り返して、複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォームロットを生産する、[３]〜［６］のいずれかに記載のガラス製プリフォームの製造方法。
[８] 熔融ガラスを成形してガラス成形体を作製するガラス成形体の製造方法において、ノズルから流出する熔融ガラスをノズル下端に垂下させ、一定周期で垂下した熔融ガラスを落下させて熔融ガラス滴を得、前記熔融ガラス滴が冷却する過程でガラス成形体に成形するとともに、前記熔融ガラスの落下を、少なくともノズル下端に垂下する熔融ガラスの周囲をカバーで覆った状態で行うことを特徴とするガラス成形体の製造方法。
[９] ガラス成形体に成形する工程を繰り返して、複数のガラス成形体からなるガラス成形体ロットを生産する、[８]に記載のガラス成形体の製造方法。
[１０] [８]に記載の方法でガラス成形体を作製し、前記ガラス成形体の表面を研磨して精密プレス成形に供するガラス製プリフォームを得ることを含む、ガラス製プリフォームの製造方法。
[１１] ガラス成形体の表面を研磨する工程を繰り返して、複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォームロットを生産する、[１０]に記載のガラス製プリフォームの製造方法。
[１２] [１]または［２］に記載のガラス製プリフォームロット、または[７]または［１１］に記載の製造方法で生産したプリフォームロットの中からプリフォームを取り出し、加熱、精密プレス成形する光学素子の生産方法。
[１３] 上型、下型、スリーブ型を備えたプレス成形型を使用し、上型、下型、スリーブ型の各成形面をガラスに転写するとともに、上型成形面を転写して形成した面とスリーブ型成形面を転写して形成した面のなす稜および／または下型成形面を転写して形成した面とスリーブ型成形面を転写して形成した面のなす稜を自由表面にする精密プレス成形を行うことを特徴とする[１２]に記載の光学素子の生産方法。

本発明によれば、小型光学素子の精密プレス成形による製造に適した軽量かつ質量ばらつきの小さいガラス製プリフォームロットを提供することができる。また、質量バラツキが小さいので、ロットを構成するプリフォームの平均質量とガラスの比重から定まるガラスの体積に基づき、型閉めしたときのプレス成形型内の容積を定めることにより、前記容積内にガラスを十分充填するとともに、プレス成形型を構成する部材間のクリアランスに過剰なガラスが進入して成形バリになるのを防止することができる。

本発明によれば、小型光学素子の精密プレス成形による製造に適した軽量かつ質量ばらつきの小さいガラス製プリフォームを量産することができる。特にＳｉＯ₂を２０質量％超含むガラスのように、ノズル下端からの熔融ガラスの落下時にノズルと落下するガラスの間に糸状の細長いくびれが生じるガラスでも質量バラツキの小さいプリフォームを製造することができる。

本発明によれば、研磨によって精密プレス成形用のガラス製プリフォームに仕上げられる質量バラツキの小さいガラス成形体を量産するための方法を提供することができる。さらに前記ガラス成形体を研磨することにより質量バラツキの小さいガラス製プリフォームを量産することができる。

本発明によれば、上記質量バラツキの小さいプリフォームを使用して効率よく、光学素子、特に小型、あるいは小型で型転写面からなる位置決め基準面を有する光学素子を製造することができる。

カメラ付き携帯電話のように撮像装置を内蔵する小型機器に組み込まれる小型光学素子は、前述のように精密プレス成形により一緒に形成される光学機能面と位置決め基準面を備えることが好ましい。このような光学素子を精密プレス成形する際、ガラス製プリフォームの体積を精密に管理しなければならないことは前述のとおりである。

上記光学素子成形用のプリフォームとしては、質量が３０ｍｇ以下のものが適している。そして、精密プレス成形で光学素子の光学機能面および位置決め基準面を一緒に形成する際に使用するプリフォームには±０．３％以内の質量公差が求められる。

上記プリフォームの製造には、熔融ガラスを流出して目的質量の熔融ガラス滴を分離する方法が高い生産性が得られるので適している。具体的には、ノズル内を流下した熔融ガラスをノズル流出口から滴下し、得られたガラス滴をプリフォームに形成する方法が適している。ガラス滴の質量は、ノズル流出口に垂下するガラスに作用する下向きの加速度、ノズル下端の外径、熔融ガラスの表面張力などによって決まる。したがって、これらの条件を一定にすれば、一定質量のガラス滴を滴下し続けることが可能になる。

しかし、目的とするプリフォーム質量に対する質量公差の割合を小さくしようとすると、上記諸条件を一定に維持するだけでは質量のバラツキを抑えることが難しくなる。ノズル流出口からガラス滴が滴下する様子を高速度カメラで撮影すると、まず、垂下する熔融ガラスと流出口から流出しようとする熔融ガラスの間にくびれが生じ、次第にくびれが細く長く延びながらガラスの下端部が下降していく。このくびれが糸状に細く長く延びきったときに糸状部分でガラスがちぎれ、ちぎれた箇所よりも上のガラスは表面張力によってノズル流出口近くまで戻り、ノズル流出口に垂下するガラスとなる。一方、ちぎれた箇所よりも下のガラスは分離したガラス滴に取り込まれる。

さらによく観察すると、ガラスの滴下ごとにちぎれる位置が変動していることがわかった。ちぎれる位置が高くなると、糸状部分のうちガラス滴に取り込まれる量が多くなり、ガラス滴の質量が僅かに増加し、ちぎれる位置が低くなると、糸状部分のうちガラス滴に取り込まれる量が少なくなり、ガラス滴の質量が僅かに減少する。この質量変動が質量公差を大きくすることが判明した。

さらに詳細に分析したところ、糸状部分が長いと、ちぎれる位置が変動しやすく、結果としてガラス滴の質量変動が大きくなりやすいこと、糸状部分が短い状態でちぎれる場合は、ガラス滴の質量変動が小さいことが判った。そして、ガラス流出時の失透を防止する条件下では、糸状部分が長いか短いかはガラスによって決まることも判った。

これらの結果から、糸状部分のちぎれる位置が毎回一定になれば、得られるガラス滴の質量バラツキを小さくすることができることがわかる。上記位置の変動は、雰囲気による外乱が主な要因となっておきる。高温の熔融ガラスをノズルから流出しているので、ノズルとノズルに熔融ガラスを導くパイプの周りの雰囲気は加熱され、ノズル周辺では雰囲気の対流がおきる。また、熔融ガラス滴を成形する成形型をノズル下方に次々と動かすので、成形装置の動作によっても雰囲気が乱される。このようなことが糸状部分のちぎれる位置をばらつかせる。

本発明は、上記現象を詳細に考察し、雰囲気による外乱を低減する手段を採用することで、はじめて実現されたものである。

本発明のガラス製プリフォームロットは、光学素子の精密プレス成形に供する複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォームロットにおいて、球状のプリフォームで構成された平均質量が３０ｍｇ以下、前記質量に対する質量公差の割合が±０．３％以内のガラス製プリフォームロットである。

先に説明したように、モバイル機器内蔵の小型光学素子等に使用されるプリフォームには、軽量かつ高い質量精度が求められる。小型光学素子をアライメントして撮像光学系を組み立てる際、複数の小型光学素子の光軸を精密に一致させるとともに各素子間の距離、撮像素子との距離が正確に保たれるように各素子を位置決め固定するためのホルダーを使用すると組立て作業が容易になる。上記ホルダーに各素子をはめ込めば位置決め調整をしなくても、正確なアライメントならびに組立てが可能となる。そのためには、光学素子に光学機能面とともに少なくとも２つの位置決め基準面を精密プレス成形で一括して形成することが望まれる。このような精密プレス成形では、プレス成形型で囲まれたキャビティと呼ばれる空間にガラスを過不足なく充填する必要がある。プリフォームの体積が少しでも過剰だと、プレス成形時にガラスがプレス成形型を構成する型部材間のクリアランス部に進入して成形バリとなり、精密プレス成形工程を停止させてしまったり、成形バリが成形品や型成形面を傷つけてしまうおそれがある。逆にプリフォームの体積が少しでも不足すると、ガラスがキャビティ内に充填不足となり、光学機能面や位置決め基準面の転写不足がおき、所要の目的を達成することができない。このような問題は目的とする光学素子が小さいほど、顕著になりやすい。
そこで、本発明は上記構成によって上述の問題を解決した。

ここでプリフォームロットとは、同種のガラスからなり、形状、質量ともに揃った複数個のプリフォームの集合を意味する。例えば、所定の光学素子を量産する場合、必要な個数のプリフォームからなるプリフォームロットを用意し、前記ロットからプリフォームを取り出して、同一形状のプレス成形型を使用して精密プレス成形することにより、同一形状の光学素子を量産することができる。このとき、プレス成形型を複数セット使用してもよいし、一つのプレス成形型セットを使用して次々とプリフォームを精密プレス成形してもよい。プリフォームロットは複数のプリフォームロットにより構成されると考えることもできる。例えば、１０００個のプリフォームから構成されるロットについては、１００個のプリフォームから構成される１０のロットにより構成されると考えることもできるし、１０個のプリフォームから構成される１００のロットにより構成されると考えることもできる。本発明の好ましい態様においてロットを構成するプリフォームの個数は１０００個以上、より好ましくは２０００個以上、さらに好ましくは５０００個以上である。個数の上限は、光学素子の必要個数により決めればよい。

尚、あるプリフォームロットが、プリフォームロットを構成するプリフォームの平均質量に対する質量公差の割合が±０．３％以内であるかは、５００個のプリフォームからなるプリフォームロットにより検証することができる。プリフォームロットが、５００個のプリフォームからなる場合、前記平均質量に対する質量公差の割合は、好ましくは±０．２６％以内、より好ましくは±０．２５％以内である。また、プリフォームロットを構成するプリフォームの数が５００個以上であっても、平均質量に対する質量公差の割合が±０．３％以内であることが好ましく、上記のように、好ましくは１０００個以上、より好ましくは２０００個以上、さらに好ましくは５０００個以上であっても、平均質量に対する質量公差の割合が±０．３％以内であることが好ましい。

本発明の好ましい態様は、精密プレス成形時にプレス成形型の成形面を転写して形成する面と自由表面からなる表面を有する光学素子を精密プレス成形するためのプリフォームからなるガラス製プリフォームロットである。

本発明のプリフォームによって作られる光学素子は、光学機能面のほかに位置決め基準面を有する。例えば、レンズの位置決め基準面はレンズ同士の間隔を決めるための基準面とレンズの光軸同士を正確に一致させるための基準面とする。これら基準面をホルダーに当接させることにより、各レンズを正確にアライメントすることができる。レンズを例にとると、各レンズ面の周りを取り囲むように鍔状の平坦部を形成し、レンズ２面の２つの鍔状平坦部が互いに平行になるようにする。前記一方の鍔状平坦部を位置決め基準面とし、ホルダーに当接する。他方の鍔状平坦面には前記当接した状態を維持するための圧力を加え、レンズをホルダーに固定する。このようなレンズで２つの鍔状平坦部間の距離（コバ厚という。）は成形時にレンズが破損することなく、かつホルダーに固定する際にレンズが破損することのない範囲で短く（コバ厚を薄く）することが望ましい。このようなレンズは、２つの鍔状平坦部間の側面、すなわちコバと呼ばれる部分を第２の位置決め基準面とする。第２の位置決め基準面はレンズの光軸を合わせるための基準面である。したがって、コバは精密プレス成形時にプレス成形型成形面を転写した面とする。コバに転写するプレス成形型部材はスリーブ型あるいは胴型と呼ばれる部材である。小型光学素子を成形するときに使用するスリーブ型は内部の上下型を挿入する細長い貫通孔を備える。この貫通孔内面の一部がコバに転写される成形面となる。上下型成形面にはガラスの離型性を向上させる離型膜を設けるがスリーブ型の貫通孔内面に均一な厚みの離型膜を設けることは困難であるため、コバに転写される部分には離型膜は形成されていない。したがって、プレス成形時にガラスがスリーブ型貫通孔内面に融着しないようにするには、コバの面積をガラスが破損しない範囲で小さくし、ガラスとスリーブ型の接触面積を必要最小限にすればよい。

このような理由により、コバ厚は薄くするが、コバ厚が薄いレンズを精密プレス成形する際、ガラスはレンズ面となる部分から充填され、次第にスリーブ型方向に押し広げられる。このとき、２つの鍔状平坦部を転写成形する上型成形面と下型成形面の間の空間の容積が小さいため、プリフォームを構成するガラスの量が僅かでも過剰だとガラスは前記空間からはみ出して成形バリが生じ、前記ガラスの量が僅かでも少ないと、プレスしてもガラスがスリーブ型に到達せず、位置決め基準面となるコバが形成されなくなってしまう。

つまり、上記光学素子を成形するためのプリフォームでは３０ｍｇ以下の質量のうち、過不足が許容されるのは±０．３％以内の範囲である。
したがって、本発明では、ロットを構成するプリフォームの平均質量を３０ｍｇ以下、好ましくは２８ｍｇ以下、より好ましくは１〜２６ｍｇとし、質量公差を±０．３％以内、好ましくは±０．２８％以内、より好ましくは±０．２６％以内とする。

本発明は比較的屈折率が低く、ＳｉＯ₂の量が２０質量％を超えるガラスからなるプリフォームロットやガラス成形体ロット、およびそれらの製法に適している。このようなガラスは小型光学素子の中でも特に小型の光学素子として有効であるため、質量が３０ｍｇ以下とする。上記ガラスとしては、屈折率（ｎｄ）が１．６５のものが好ましく、１．６０以下のものがより好ましい。

ここで、平均質量とは各プリフォームの質量から算定される相加平均値（Mav）である。また、質量公差とは、ロットを構成するプリフォーム中、質量が最大のプリフォームの質量（Mmaxという。）と質量が最小のプリフォームの質量（Mminという。）から、±（Mmax− Mmin）／２Mavという式により算定される値である。ロットを構成するプリフォームの個数が多い場合は、前記ロットから無作為に所定の数のプリフォームを抽出し、抽出したプリフォームを用いてMav、Mmax、Mminを求めてもよい。

次にガラス製プリフォームの製造方法について説明する。本発明のガラス製プリフォームの製造方法は、熔融ガラスを成形して精密プレス成形用のガラス製プリフォームを作製するガラス製プリフォームの製造方法において、
ノズル下端にノズルから流出する熔融ガラスを垂下させ、一定周期で垂下した熔融ガラスを落下させて熔融ガラス滴を得、
前記熔融ガラス滴が冷却する過程でプリフォームに成形するとともに、
少なくともノズル下端に垂下する熔融ガラスの周囲をカバーで覆った状態で、前記熔融ガラスの落下を行うことを特徴とするガラス製プリフォームの製造方法である。

まず、ガラス原料を加熱、熔融し、清澄、均質化して得られた熔融ガラスをパイプを用いて、パイプ下端のノズルへと導く。熔融ガラスはノズル下端のガラス流出口から流出するが、単位時間あたりのガラス流出量が一定になるようにパイプおよびノズルの温度を制御する。

ガラス流出口から流出した熔融ガラスは表面張力によりノズル下端に垂下する。ノズル下端に熔融ガラスが留まろうとする力よりも垂下するガラスに働く下向きの力が強くなったときにノズル下端から熔融ガラスが落下する。ここで、単位時間あたりのガラス流出量を一定にしているので、熔融ガラスの落下は一定の周期でおきる。落下する熔融ガラスの質量は、質量で表した単位時間あたりのガラス流出量に前記周期を乗じたものとなる。

ここで熔融ガラスの落下とは熔融ガラス滴の滴下と熔融ガラスの下端が熔融ガラスを受ける受け面に達した後に前記糸状部分がちぎれるような場合も含むものとする。
そして、ノズル下端に垂下する熔融ガラスの周囲をカバーで覆った状態で前記落下を行う。カバーは熔融ガラスの落下を妨げないように前記落下時の経路を遮らないようにする。そして、ノズル下端において前述した対流による上昇気流を弱めるため、カバー上部を塞ぐ。このような構成により、熔融ガラスのちぎれる位置を安定化することができ、ガラス滴の質量バラツキを小さくすることができる。

なお、ガラス滴とは滴下によって得られた熔融ガラス塊に加え、熔融ガラスの下端が熔融ガラスを受ける受け面に達した後に前記糸状部分がちぎれることによって得られる熔融ガラス塊も含むものとする。

ところで、糸状部分の長短を決める主要因はガラス中のＳｉＯ₂の含有量であり、ＳｉＯ₂の量があるレベルよりも多いと糸状部分が長くなり、少ないと糸状部分が短くなる。したがって、ＳｉＯ₂の含有量が多いガラスほど、より大きな効果を得ることができる。

糸状部分が長いガラスでは、熔融ガラスの下端が受け面に到達する際の衝撃により、糸状部分がちぎれる。したがって、落下した熔融ガラスを受ける面とノズル下端の距離を一定にして、一定周期で前記熔融ガラスの落下を行うことが好ましい。このような構成により、糸状部分の長さ、糸状部分を分離する衝撃が発生するタイミングを毎回の落下毎に安定化することができ、ガラス滴の質量バラツキを小さくすることができる。

なお、カバーの下端は受け面からノズル下端までの距離の０．２〜０．８倍の高さにすることが望ましく、０．３〜０．７倍の高さにすることかより望ましい。

カバーの口径は、大きすぎると作業性が低下し、カバー内の雰囲気を安定化しにくくなり、小さすぎるとカバーに流出する熔融ガラスが付着し、あるいは、ノズルやパイプなどと接触してしまう場合がある。また、後述するノズル下端に垂下する熔融ガラスに風圧を加えて落下を促す方法の場合、口径が小さすぎると、ノズルまわりで安定した気流を作り出すことが難しくなる。従って、上記点に配慮しつつカバーの口径は、質量公差が小さくなるように、適宜設定することができる。

前記カバーはノズル下端に垂下する熔融ガラスの冷却スピードを遅くする働きをする。すなわち、カバーによって垂下する熔融ガラスが保温され、ガラスの粘度上昇スピードが遅くなり、糸状部分の粘度を分離に適した範囲に保ち、ガラス滴の粘度もガラスの球状化に適した範囲にすることができる。

なお、カバーを絶縁体で構成するとともに、カバーの周囲に高周波コイルを配置して高周波電流を流し、ノズルを高周波誘導加熱することが好ましい。このような構成により、カバーを誘導加熱することなく、白金あるいは白金合金製のノズルを誘導加熱することができ、ガラスを失透させず、しかも所望の流出量が維持されるようにノズルの温度を制御することができる。

次に本発明の適用はガラスの種類に限定されないが、特に有効なガラスがあるので、そのガラスについて説明する。以下、特記しない限り、ガラス成分の含有量は質量％表示で示す。

前述のように、熔融ガラスの糸状部分の長さはガラス中のＳｉＯ₂量により定まる。ＳｉＯ₂量が２０％を超えると糸状部分が長くなり、雰囲気による外乱で分離位置がばらつきやすくなる。したがって、本発明のガラス製プリフォームの製造方法は、ＳｉＯ₂量が２０％超のガラスに特に有効である。ＳｉＯ₂の量の好ましい量は２１％以上、より好ましい量は２３％以上、さらに好ましい量は３０％以上、より一層好ましくは３５％以上、なお一層好ましくは４０％以上である。ＳｉＯ₂量が過剰になるとガラスの分離がうまくいかなくなる。したがって、ガラスが分離可能な状態をＳｉＯ₂量の上限と考えればよく、ＳｉＯ₂量を前記範囲内であって６５％以下とすることが好ましく、６０％以下とすることが好ましく、５５％以下とすることがさらに好ましい。

本発明におけるガラスとしては、ＳｉＯ₂ ２１〜６５％、Ｂ₂Ｏ₃ ０〜４０％、Ｌｉ₂Ｏ０〜１２％、Ｎａ₂Ｏ０〜１０％、Ｋ₂Ｏ０〜１０％、ＭｇＯ０〜１０％、ＣａＯ０〜２５％、ＳｒＯ０〜２５％、ＢａＯ０〜４０％、ＺｎＯ０〜３０％、Ｌａ₂Ｏ₃ ０〜２０％、Ｇｄ₂Ｏ₃ ０〜１０％、Ｙ₂Ｏ₃ ０〜１０％、ＺｒＯ₂ ０〜１５％、ＴｉＯ₂ ０〜３０％、Ｔａ₂Ｏ₅ ０〜１０％、Ｎｂ₂Ｏ₅ ０〜８％を含むガラスを例示できる。

なお、ＳｉＯ₂の量が同程度であれば、比重の小さいガラスのほうが、糸状部分の分離がおきにくいため、比重が３．３未満のガラスからなるプリフォームの成形に特に有効である。さらに比重が３．２以下のガラスの成形により有効である。

本発明のガラス製プリフォームの製造方法におてい、ガラス製プリフォームに成形する工程を繰り返すことで、複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォームロットを生産することもできる。このガラス製プリフォームロットは、プリフォームの平均質量が３０ｍｇ以下と軽量であるにも関わらず、質量に対する質量公差の割合が±０．３％以内と、バラツキが小さいものである。

なお、上記ロットを構成する各プリフォームの形状を球状とすることが好ましい。小型光学素子を精密プレス成形する際、球状のプリフォームを使用すると下型成形面が凹形状であれば、成形面の中心でプリフォームを安定に置くことができる。ＳｉＯ₂の量が上記範囲のガラスは、ガラス滴の体積が小さいこともあって、球状化に適した粘度よりも高い粘度になってしまうが、本発明によれば、保温した熔融ガラスを落下するので、球状化に適した粘度のガラス滴を成形し、球状のプリフォームを安定して製造することができる。

ここまでは、本発明のプリフォームロットおよびプリフォームの製造方法について説明してきたが、以下では精密プレス成形に供するガラス製プリフォームに加工するための複数のガラス成形体からなるガラス成形体ロットおよびガラス成形体の製造方法について説明する。

ガラス成形体ロットは、精密プレス成形に供するガラス製プリフォームに加工するための複数のガラス成形体からなるガラス成形体ロットにおいて、球状のガラス成形体で構成された平均質量が３０ｍｇ以下、前記質量に対する質量公差の割合が±０．３％以内のガラス成形体ロットである。

本発明のガラス成形体の製造方法は、熔融ガラスを成形してガラス成形体を作製するガラス成形体の製造方法において、
ノズル下端にノズルから流出する熔融ガラスを垂下させ、一定周期で垂下した熔融ガラスを落下させて熔融ガラス滴を得、
前記熔融ガラス滴が冷却する過程でガラス成形体に成形するとともに、
少なくともノズル下端に垂下する熔融ガラスの周囲をカバーで覆った状態で、前記熔融ガラスの落下を行うことを特徴とする方法である。

上記ガラス成形体の製造方法において、ガラス成形体に成形する工程を繰り返すことで、複数のガラス成形体からなるガラス成形体ロットを生産することができる。

ガラス成形体ロットは複数のガラス成形体の集合である。ロットの概念は上述したプリフォームロットにおけるロットの概念と同様である。ガラス成形体の表面を機械加工（例えば、研磨）することにより、プリフォームを得ることができる。ガラス成形体ロットからプリフォームロットを得るには、各ガラス成形体とも機械加工による除去量が等しくなるようにすれば、等質量のプリフォームからなるロット、すなわち、本発明のプリフォームロットを得ることができる。具体的には、上記方法でガラス成形体を作製し、前記ガラス成形体の表面を研磨する精密プレス成形に供するガラス製プリフォームを製造する。

上記ガラス成形体の表面を研磨する工程を繰り返すことで、複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォームロットを生産することができる。

ガラス成形体を成形するときの熔融ガラスの落下でも上述のような現象がおき、糸状部分が長くなってガラス成形体の質量変動が大きくなりやすいガラス、すなわち、ガラス中のＳｉＯ₂量が２０％超のガラスに特に有効である。ガラス成形体とプリフォームは、加工によってプリフォームの仕上げられるかどうかを除けば、製法も好ましいガラス組成も比重もすべて上記説明と共通する。

上記プリフォームの製法、ガラスの製法とも、熔融ガラスの流出、成形は公知の方法を採用すればよい。耐熱性のノズル（例えば白金あるいは白金合金製のノズル）から清澄、撹拌均質化した熔融ガラスを失透しない温度域に維持しながら一定流量で流出する。ノズル下方には凹部を有する成形型を搬入して、凹部外周面でノズルから一定周期で滴下するガラス滴を受け、凹部に転がして或いは滑らせて導入し、凹部底部に設けられたガス噴出口から上向きに噴出するガスにより凹部内でガラス滴を上下動させながら球状に成形してプリフォームを得る。プリフォームの量産は、複数個の成形型を用意して成形型を次々とノズル下方に搬入してはガラス滴を受け、ガラス滴を受けた成形型はノズル下方から搬出して、空の成形型をノズル下方へと搬入する。ガラス滴を載せた成形型は移動しながら、凹部内でプリフォームに成形し、プリフォームが変形しない温度域にまで冷却した後、成形型からプリフォームを取り出し、空の成形型として再びノズル下方に搬入される。このような工程を複数の成形型毎に次々と行うことにより、プリフォームを量産する。ここで得られるプリフォーム量産品はプリフォームロットに相当する。ガラス成形体の製造方法も同様である。

なお、プリフォーム表面に傷、汚れなどの欠陥があると光学素子の欠陥の原因になるから、ガラス成形体の研磨ではプリフォーム表面に傷が残らないよう、滑らかな表面に仕上げることが好ましい。また、研磨終了後には研磨剤が残らないよう、プリフォームを洗浄して清浄な表面にする。

次に、光学素子の量産方法について説明する。本発明の光学素子の製造方法は、前記各ガラス製プリフォームロット、または前記各製造方法により量産したプリフォーム量産品の中からプリフォームを取り出し、加熱、精密プレス成形する光学素子の量産方法である。

前記取り出されるプリフォームは、すべて目的とする質量に精密に一致する質量を有する球状プリフォームなので、精密プレス成形時にプレス成形型の成形面を転写して形成する面と自由表面からなる表面を有する小型光学素子を安定して製造することができる。

精密プレス成形は、上型、下型、スリーブ型を含むプレス成形型を用いて、加熱してプリフォームをプレス成形し、プレス成形型の成形面の形状を正確にガラスに転写成形する方法である。プレス成形型の型材の加工および型材の材質、上型、下型の成形面に形成する離型膜、離型膜の形成法、精密プレス成形を行う雰囲気の種類などは公知の技術を適用すればよい。

例えば、上型、下型、スリーブ型を備えたプレス成形型を使用し、上型、下型、スリーブ型の各成形面をガラスに転写するとともに、上型成形面を転写して形成した面とスリーブ型成形面を転写して形成した面のなす稜および／または下型成形面を転写して形成した面とスリーブ型成形面を転写して形成した面のなす稜を自由表面にする精密プレス成形を行って、同一形状の光学素子を量産する。

精密プレス成形法の一例としては、球状プリフォームをスリーブ型の貫通孔内に挿入した凹面形状の下型成形面の中心に配置し、下型成形面に成形面が対向するように上型をスリーブ型の貫通孔内に挿入する。この状態でプリフォームとプレス成形型を一緒に加熱して、プリフォームを構成するガラスの温度が、１０⁶ｄＰａ・ｓの粘度を示す温度にまで上昇したときに、上型と下型でプリフォームを加圧する。加圧されたプリフォームは上型、下型、スリーブ型により囲まれた空間（キャビティという。）内に押し広げられる。このようにして、ガラス製プリフォームをプレスして、プレス成形型を型閉めした状態で形成される密閉空間内にガラスを充填する。

型閉め状態での上型、下型、スリーブ型の各成形面の相対位置、面法線のなす角度を精密に形成しておく。このようなプレス成形型を使用して上記成形を行えば、光学機能面と位置決め基準面を互いに高精度の位置関係、角度で形成することができる。

レンズの成形を例にすると、上型成形面の中央部をレンズの光学機能面であるレンズ面を転写成形する面とし、周辺部を鍔状平坦部を転写成形する輪帯状の平面とする。下型成形面についても同様に中央部をレンズ面を転写成形する面、周辺部を鍔状平坦部を転写成形する輪帯上の平面とする。プレス成形終了まで上下型の向きを互いに対向するように、かつ上下型の中心軸が一致するように正確に維持する。

プレス成形型を型閉めした状態で形成される密閉空間内にガラスを充填することにより、スリーブ型貫通孔の内面がガラスに転写される。スリーブ型貫通孔の中心軸と前記貫通孔内面の角度を精密に形成しておき、プレス成形終了まで前記貫通孔の中心軸と上下型中心軸とが精密に一致するよう維持することにより、２つのレンズ面、２つの鍔状平坦部、スリーブ型の内面が転写成形されるレンズのコバの相対位置、互いの面のなす角度を正確に形成することができる。そして、２つの鍔状平坦部のうちの一方とコバを位置決め基準面として、鍔状平坦部のうちの一方をレンズ間の距離を正確に位置決めする基準面として使用し、コバをレンズ間の光軸を正確に一致させるための基準面として使用することができる。

そして、スリーブ型貫通孔の内面とガラスの融着を防止するため、レンズが破損しない範囲でコバ厚を薄くしても、目的とするレンズの質量に対して各プリフォームの質量が正確に定められているので、スリーブ型貫通孔の内面が転写されて位置決め基準面として機能するコバを成形することができるし、成形バリが発生して光学素子の量産工程を停止させてしまうこともない。

なお、コバと鍔状平坦部の交わる稜を自由表面で形成することが望ましい。コバと鍔状平坦部が形成されていれば、位置決め機能に支障をきたすおそれはなく、しかも稜が鋭利になっているとホルダーにはめ込む際に稜が欠けたり、稜がホルダーを削ってしまい、発塵の原因になってしまう。塵が撮像素子の受光面に付着すると画質が大幅に低下してしまうため、このようなトラブルを防止する上から、自由表面からなる稜を有する精密プレス成形品を成形することが望ましい。

光学素子には、少なくとも２面以上、具体的には２面あるいは３面の位置決め基準面を精密プレス成形によって形成することが望ましい。前記２面あるいは３面の位置決め基準面は互いに非平行に形成されることが好ましい。このように互いに非平行な２つの基準面を用いて光学素子を位置決めすれば、光学系における光学素子の位置決めと、向きを精度よく決めることができる。レンズのように回転対称性を有する光学素子は２つの基準面があればよい。プリズムのような回転対称性のない光学素子の場合には、３つの位置決め基準面を形成し、光学系における位置決めとその位置における向きを精度よく決める。
このようにして作製した光学素子には必要に応じて反射防止膜などの光学多層膜を形成してもよい。

実施例について説明する。
（実施例１）
まず、表１に示すＳｉＯ₂の量が２０質量％超の光学ガラスが得られるようにガラス原料を秤量、調合して十分撹拌し、熔融容器内に導入して、加熱、熔融し、清澄、撹拌して均質な熔融ガラスを用意した。熔融ガラスを図１に示す装置を用いて熔融ガラス滴からガラスプリフォームを生産した。

熔融容器底部に接続したパイプを開いて一定流量で熔融ガラスをパイプ下端に取り付けたノズルから流出する。ノズルおよびパイプ、そして熔融容器はそれぞれ、ガラスが失透せず、所望の流出量が得られる粘度になるよう、温度制御されている。
パイプ１の下端およびノズル２の外周には図１に示すようにガス流路形成用カバー３が設けられ、ガス流路形成用カバーとパイプおよびノズルの間の空間にガスを流すためのガス流路４を設けている。そして、ガス流路形成用カバー下端には開口部３−１を設け、前記開口部からノズル先端を突出させている。ノズル、ガス流路形成用カバー、ガス流路形成用カバー開口部はそれぞれノズルの中心軸の周りに対称に配することが好ましい。また、ガス流路形成用カバー開口部から排出されるガスも上記中心軸の周りに均等に流すことが望ましい。

本実施例では、ノズル下端に垂下する熔融ガラスが一定周期で落下するように、パイプの内径、ノズルの内外径、パイプとノズルの温度を調整して、ガラスの流出量を制御している。ガラス流出口から流出する熔融ガラスはノズル下端に垂下するが、垂下した熔融ガラスには、ガス流路形成用カバー開口部から下向きに一定の流量で連続して噴出すガスが噴きかかり、下向きの風圧が加わる。

さらに、図１に示すように、ノズル２、ガス流路形成用カバー３の周囲を囲むようにカバー５が取り付けられている。カバー５はノズル下端に垂下する熔融ガラスおよび熔融ガラスが落下する経路全体のノズル側１／３〜１／２の空間の周囲（経路側方の全周）を覆い、またカバー５の上部も塞がれている。ただし、熔融ガラスの落下経路を遮断しないよう下方は開口している。カバー５により外部雰囲気による外乱、例えばノズル周りの上昇気流を低減し、カバー５内に安定した状態の雰囲気を作り出す。カバー５内ではガス流路形成用カバー開口部から噴出すガスが定常的に安定して下向きに流れる。

カバー５の外側には高周波誘導コイル６を配置し、高周波電流を流して、ノズルを高周波誘導加熱する。カバー５は誘導加熱されないように耐熱性の絶縁体で作る。カバー５の材料としては石英ガラスなどが好適である。このように透明な耐熱性絶縁体でカバー５を作れば、外側からカバー５内部を観察することもできる。

熔融ガラスの落下は熔融ガラスがノズル下端に留まろうとする力よりも垂下する熔融ガラスに働く重力が大きくなったときにおきる。しかし、この方法では、ノズル下端に留まろうとする力で決まる質量のガラス滴しか得られず、より軽量のガラス滴を滴下することができない。

しかし、本実施例によれば垂下する熔融ガラスはガスによる風圧により下向きの力を受けるから、その分、より軽量のガラス滴を得ることができる。そして、ガス流量が一定になるようにマスフローコントローラなどによりガスの流量制御を行えば、ガラス滴の質量を安定化することができる。

落下する熔融ガラスはノズル下方で待機する成形型で受ける。ガラス滴の質量を安定化するため、成形型の熔融ガラス下端を受ける受け面とノズル下端の距離が一定になるように成形型を待機させ、落下する熔融ガラスの下端を受け、熔融ガラスが受け面に到達したときの衝撃により糸状部分においてガラスを分離する。成形型７の垂直断面を図２に示す。成形型のガラス滴受け面７−１で滴下するガラス滴を受ける。ガラス滴受け面７−１は同じく成形型上面に設けられた凹部７−２の方向に傾斜しているので、ガラス滴は受け面７−１から凹部７−２へとすべり込む、あるいは転がり込む。

凹部７−２の断面は図２に示すように下から上に向けてラッパ状に広がる形状を有し、凹部底部には上向きにガスを噴出するガス噴出口が１つ設けられている。凹部に導入したガラス滴は凹部底部に向けて凹部内壁を転がりながら下降するが、凹部の内径が下に行くにつれて減少するようになっているので、ガラス滴は下降するほど上向きの風圧を強く受けることになる。その結果、ガラス滴は凹部内で上昇するが、上昇すると上向きの風圧が弱まるので、凹部内壁に沿って転がりながら下降する。すると、再び上向きの風圧を強く受けるようになるので、ガラス滴は凹部内を上昇しては凹部内壁を転がりながら下降するという運動を短時間で繰り返し行うことになる。ガラス滴が凹部内壁を転がる方向はランダムであるから、上記運動を繰り返すうちにガラス滴は球状化しながら冷却し、球プリフォームに成形される。冷却してプリフォームが変形しない温度になった時点で凹部内のプリフォームを取り出し、ガラスが割れないスピードで室温まで冷やす。

複数個の成形型を用いて上記工程を繰り返すことにより、等質量の球状プリフォームを量産することができる。このようにして光学ガラスからなる所望質量であって質量公差の小さい球状のプリフォームからなるプリフォームロットを得た。

（実施例２）
次に上記方法を全く同じ方法で球状のプリフォーム母材を量産した。使用したガラス、得られた母材の個数、平均質量、平均質量に対する質量公差の割合（質量公差／平均質量）、直径を表１に示す。これらプリフォーム母材からなるロットをアニールして歪みを低減した後、研磨して、表1に示すプリフォーム母材の平均質量に対する質量公差の割合と同等の値を有するプリフォームロットを得た。

（実施例３）
実施例１、２で得た各プリフォームロットを使用して、図３に示す概観の断面形状を有する小型非球面レンズを精密プレス成形により得た。いずれのレンズも破損は見られず、レンズとして十分な光学性能を有していた。また、各レンズのコバ８、鍔状平坦部９はプレス成形型成形面が転写されたものであり、コバと鍔状平坦部が交わる稜は丸みを帯びた自由表面であった。そして成形バリの発生は認められなかった。

これらの非球面レンズは携帯電話に内蔵される撮像装置の撮像光学系を構成するレンズとして機能する。このようにして得たレンズと、形状以外は全く同じ方法で作製した位置決め基準面としてコバと鍔状平坦部を有するレンズを、レンズホルダーに組み込み、位置決め基準面をホルダーに当接した状態で固定することにより、各レンズを正確にホルダー内に配列することができた。

［比較例］
次に表１に示すガラスを使用し、図１と同様でカバー５を有しない装置を用いて、表１に示すプリフォームを作製したところ、質量公差が大きく、質量がばらついたロットになってしまった。
このロットを使用して上記と同様の方法により小型非球面レンズを精密プレス成形したところ、コバ全体が自由表面になって位置決め基準面として機能しないレンズや、成形バリが発生してプレス成形型が摺動しなくなってしまうなどのトラブルが発生してしまった。

熔融ガラス滴からガラスプリフォームを生産する装置の説明図。熔融ガラス滴からガラスプリフォームを生産するための成形型の垂直断面図。本発明の光学素子の一態様であるレンズの断面説明図。

Claims

光学素子の精密プレス成形に供する複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォームロットにおいて、
球状のプリフォームで構成された平均質量が３０ｍｇ以下、前記質量に対する質量公差の割合が±０．３％以内のガラス製プリフォームロット。
ガラス製プリフォームが、精密プレス成形時にプレス成形型の成形面を転写して形成する面と自由表面からなる表面を有する光学素子を精密プレス成形するためのプリフォームである請求項１に記載のガラス製プリフォームロット。
熔融ガラスを成形して精密プレス成形用のガラス製プリフォームを作製するガラス製プリフォームの製造方法において、
ノズルから流出する熔融ガラスをノズル下端に垂下させ、一定周期で垂下した熔融ガラスを落下させて熔融ガラス滴を得、
前記熔融ガラス滴が冷却する過程でプリフォームに成形するとともに、
前記熔融ガラスの落下を、少なくともノズル下端に垂下する熔融ガラスの周囲をカバーで覆った状態で行うことを特徴とするガラス製プリフォームの製造方法。
落下した熔融ガラスを受ける面とノズル下端の距離を一定にして、一定周期で前記熔融ガラスの落下を行う請求項３に記載のガラス製プリフォームの製造方法。
前記カバーを絶縁体で構成するとともに、カバーの周囲に配置した高周波コイルに高周波電流を流して、ノズルを高周波誘導加熱する請求項３または４に記載のガラス製プリフォームの製造方法。
２０質量％超のＳｉＯ₂を含むガラスからなるプリフォームを成形することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載のガラス製プリフォームの製造方法。
ガラス製プリフォームに成形する工程を繰り返して、複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォームロットを生産する、請求項３〜6のいずれか１項に記載のガラス製プリフォームの製造方法。
熔融ガラスを成形してガラス成形体を作製するガラス成形体の製造方法において、
ノズルから流出する熔融ガラスをノズル下端に垂下させ、一定周期で垂下した熔融ガラスを落下させて熔融ガラス滴を得、
前記熔融ガラス滴が冷却する過程でガラス成形体に成形するとともに、
前記熔融ガラスの落下を、少なくともノズル下端に垂下する熔融ガラスの周囲をカバーで覆った状態で行うことを特徴とするガラス成形体の製造方法。
ガラス成形体に成形する工程を繰り返して、複数のガラス成形体からなるガラス成形体ロットを生産する、請求項８に記載のガラス成形体の製造方法。
請求項８に記載の方法でガラス成形体を作製し、前記ガラス成形体の表面を研磨して精密プレス成形に供するガラス製プリフォームを得ることを含む、ガラス製プリフォームの製造方法。
ガラス成形体の表面を研磨する工程を繰り返して、複数のガラス製プリフォームからなるガラス製プリフォームロットを生産する、請求項１０に記載のガラス製プリフォームの製造方法。
請求項１または２に記載のガラス製プリフォームロット、または請求項７または１１に記載の製造方法で生産したプリフォームロットの中からプリフォームを取り出し、加熱、精密プレス成形する光学素子の生産方法。
上型、下型、スリーブ型を備えたプレス成形型を使用し、上型、下型、スリーブ型の各成形面をガラスに転写するとともに、上型成形面を転写して形成した面とスリーブ型成形面を転写して形成した面のなす稜および／または下型成形面を転写して形成した面とスリーブ型成形面を転写して形成した面のなす稜を自由表面にする精密プレス成形を行うことを特徴とする請求項１２に記載の光学素子の生産方法。