JP5198347B2

JP5198347B2 - 精密プレス成形用プリフォームの製造方法、及びガラス製光学素子の製造方法。

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Publication number: JP5198347B2
Application number: JP2009105931A
Authority: JP
Inventors: 静夫鈴木; 明村上
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: JP2010254515A

Description

本発明は、ガラス母材の研削、研磨工程を経てガラス製光学素子や精密プレス成形用プリフォームを製造するための精密プレス成形用プリフォームの製造方法、及びガラス製光学素子の製造方法に関する。

球面レンズなどのガラス製光学素子の製法として、光学ガラスからなるガラス素材を作り、このガラス素材を加熱、軟化し、プレス成形型に供給してプレス成形し、得られた成形品（光学素子母材）に荒ずり、砂かけ、研磨、芯取りといった加工を施し、最後に必要に応じて反射防止膜などのコーティングを行う方法が知られている。光学素子母材は、光学素子ブランクとも呼ばれ、光学素子の形状に近似し、光学素子の形状に研削、研磨によって除去される取りしろを加えた光学ガラス製の成形体である。

上記製造工程のうち、ガラス素材を加熱、軟化し、プレス成形して光学素子母材を生産する方法が、特許文献１に記載されている。
上記プレス成形法は、溶融ガラスを成形して得られたガラスを加工してガラス素材を作り、このガラス素材を再度、加熱、軟化してプレス成形することから再加熱プレス成形法あるいはリヒートプレス成形法と呼ばれている。

再加熱プレス成形法は、特許文献２に記載されている精密プレス成形法あるいはモールドオプティクス成形法と比べ、プレス成形時のガラスの粘度が低いため、プレスによってガラスを変形させやすく成形時間を短くできるなどのメリットがある。また、プレス成形後、光学機能面を研削、研磨しない精密プレス成形法と異なり、プレス成形品の表面を加工によって除去するため、粉末状の離型剤の使用が可能になる。

特開２００７−２１０８６３号公報特許第３４８７４６７号公報

しかしながら、再加熱プレス成形法で成形したレンズ母材の光学機能面に仕上げられる２つの面のうち、第１の面を荒ずり加工する際、第１の面に対向する第２の面またはコバに相当するレンズ母材の側面を研削加工機に精度よく固定する必要がある。

具体的には、上記第２の面もしくは側面を位置決め基準面とし、この位置決め基準面を研削加工機のワークホルダーの位置決め基準面に当接させた状態でレンズ母材を前記ホルダーに固定する。
その際、第２の面と側面の交わる部分に成形ばり（後述する図２参照）などの突起があるとレンズ母材をワークホルダーに正確に位置決め固定することができない。
あるいは、レンズ母材をワークホルダーに固定する際に母材の突起が破損し、ガラスの破片がワークホルダーの位置決め基準面を損傷させて、以後、正確な位置決め固定を困難にするという問題が発生したり、ＣＧ加工（カーブジェネレータによる球面研削加工）の刃具を損傷させる問題が発生することがあった。

再加熱プレス成形法は、精密プレス成形法と比較し、ガラスを低粘度でプレスするため、上下型と胴型の間のクリアランス部にガラスが進入して上記突起が生じやすい。しかも、精密プレス成形法とは異なり、成形後に光学機能面を研削、研磨する必要があり、最初の荒ずり工程における位置決め固定を精密に行わなくてはならないという事情から、精密プレス成形法には存在しない上記特有の課題を解決しなければならない。

以上、レンズ母材を例にとり説明したが、同様の課題は、再加熱プレス成形法により精密プレス成形用プリフォームの母材を作製し、研削、研磨してプリフォームを作製する場合にも存在する。

本発明は上記事情のもとになされたものであり、研削、研磨加工に適したガラス母材、すなわち、光学素子母材やプリフォーム母材を、再加熱プレス成形法を用いて製造する方法、および前記方法で作製したガラス母材を用いて精密プレス成形用プリフォームやガラス製光学素子を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、
（１）ガラス母材を研削、研磨してガラス製光学素子を製造するにあたり、
胴型と、前記胴型に嵌め込まれた状態で互いに対向してガラス素材をプレスする上型と下型とを備え、かつ、前記胴型の前記上型が嵌め込まれる部分の内径よりも前記下型が嵌め込まれる部分の内径が小さいプレス成形型を用い、粘度が１０ ^６ｄＰａ・ｓ以下になるように加熱、軟化したガラス素材をプレス成形型内に導入し、プレス成形することにより前記ガラス母材を作製し、
前記ガラス母材を、下型成形面および／または胴型成形面によって成形された面を位置決め基準面として研削装置に固定し、上型成形面によって成形された面を所望の曲率になるよう球面研削加工する工程を備えることを特徴とするガラス製光学素子の製造方法、
（２）ガラス母材を研削、研磨して、ガラス製光学素子を精密プレス成形するための精密プレス成形用プリフォームを製造するにあたり、
胴型と、前記胴型に嵌め込まれた状態で互いに対向してガラス素材をプレスする上型と下型とを備え、かつ、前記胴型の前記上型が嵌め込まれる部分の内径よりも前記下型が嵌め込まれる部分の内径が小さいプレス成形型を用い、粘度が１０ ^６ｄＰａ・ｓ以下になるように加熱、軟化したガラス素材をプレス成形型内に導入し、プレス成形することにより前記ガラス母材を作製し、
前記ガラス母材を、下型成形面および／または胴型成形面によって成形された面を位置決め基準面として研削装置に固定し、上型成形面によって成形された面を所望の曲率になるよう球面研削加工する工程を備えることを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法、。
（３）上記（２）項に記載の方法で精密プレス成形用プリフォームを作製し、前記精密プレス成形用プリフォームを加熱して精密プレス成形するガラス製光学素子の製造方法、
を提供する。

本発明によれば、ガラス母材を再加熱プレス成形法を用いて作製する際に、その下型成形面によって成形された面の外周の成形ばりを抑制して研削、研磨加工に適したガラス母材を作製することができ、作製したガラス母材を用いて精密プレス成形用プリフォームやガラス製光学素子を製造するにあたり、下型成形面および／または胴型成形面によって成形された面を位置決め基準面として研削装置に固定し、上型成形面によって成形された面を所望の曲率になるよう球面研削加工する工程を支障なく行うことができる。

図１は、本実施形態の一例を示す図である。図２は、改良前の一例を示す図である。

本発明において、光学素子母材とは研削、研磨によって光学素子を作製するための母材となるガラス物品であり、光学素子の形状に研削、研磨によって除去する取りしろを加えた形状を有するガラス物品のことを意味する。光学素子母材は光学素子ブランクとも呼ばれる。また、プリフォーム母材とは研削、研磨によって精密プレス成形用プリフォームを作製するための母材となるガラス物品であり、精密プレス成形用プリフォームの形状に研削、研磨によって除去する取りしろを加えた形状を有するガラス物品のことを意味する。

研削、研磨に要する手間、時間、コストを低減する上から、光学素子母材は光学素子の形状に近似する形状に成形することが好ましく、プリフォーム母材は精密プレス成形用プリフォームの形状に近似する形状に成形することが好ましい。
また、本発明において、光学素子母材およびプリフォーム母材をあわせてガラス母材と呼ぶ。

本発明では、ガラス製光学素子またはガラス製光学素子を精密プレス成形するための精密プレス成形用プリフォームを、研削、研磨により製造するためのガラス母材を、胴型と、前記胴型に嵌め込まれた状態で互いに対向してガラス素材をプレスする上型と下型とを備え、かつ、前記胴型の前記上型が嵌め込まれる部分の内径よりも前記下型が嵌め込まれる部分の内径が小さいプレス成形型を用い、加熱、軟化したガラス素材をプレス成形型内に導入し、プレス成形することにより作製する。

プレス成形型内に導入するガラス素材は、ガラスの粘度が１０^６ｄＰａ・ｓ以下になるように加熱、軟化することが望まれる。

図１は、本発明の実施形態の一例を示したものであり、プレス成形時、成形品の光軸となる軸、すなわち、プレス軸の中心軸を含む断面を模式的に示したものである。図２は改良前のもの、図１は本発明の一形態に相当する。
図２のプレス成形型は上型１´、下型２´、胴型３´によって構成される。図２では上型１´、下型２´ともに胴型３´内に嵌め込まれている様子が示されているが、最初に胴型３´内に下型２´を嵌め込み、上型１´は胴型３´から抜いた状態で、下型成形面上に加熱、軟化したガラス素材を導入する。次いで、上型１´を胴型３´内に嵌め込んで上下型１´、２´でガラス素材をプレスし、上下型成形面と胴型３´で囲まれた空間にガラスを押し広げる。

図２より明らかなように胴型内径は任意の位置で一定であり、胴型３´に嵌め込まれる部分における上型１´および下型２´の外径は互いに等しくなっている。
図２では、ガラス素材をプレスするとガラスが押し広げられて、その先端部が胴型３´に到達した後、上型１´と胴型３´の間のクリアランス、下型２´と胴型３´の間のクリアランスに進入して成形ばりが生じやすい。

このようにして成形したガラス母材をカーブジェネレータで球面加工するが、球面加工ではガラス母材の２つの面、すなわち、上型成形面で成形した面（第１の面）と下型成形面で成形した面（第２の面）のうち、一方の面を加工し、次いで他方の面を加工する。研削加工機、すなわちカーブジェネレータによる球面研削加工では、球面加工を行う面の反対側の面もしくは側面をワークホルダーに当接した状態でガラス母材を前記ホルダーに固定する。
その際、第１の面と側面の交わる部分と第２の面と側面の交わる部分の両方に成形ばりなどの突起が存在すると、ガラス母材を高精度にワークホルダーに位置決め固定することができない。あるいは突起が破損し、その破片がワークホルダーの位置決め基準面を損傷させるなどの問題もおきる。

一方、図１に示すプレス成形型は、胴型３の上型１が嵌め込まれる部分の内径よりも下型２が嵌め込まれる部分の内径を小さくすることにより、下型２と胴型３のクリアランス部にガラスが進入しにくい構造にしてある。上型１、下型２、胴型３などのプレス成形型構成部材間へのガラスの進入は、低粘度のガラスが加圧された状態でクリアランスの入り口に到達することによって始まる。ガラスがクリアランスの入り口に到達しても粘度が上昇していればクリアランスへの進入はおこりにくい。上下型１、２でプレスされてガラスは、上下型成形面との接触面積を増加させつつ横方向に伸び、その先端が胴型３に到達する。プレスされたガラスは上下型１、２、胴型３に接触すると熱伝導によって熱を奪われ、接触部分が急冷されて粘度が急速に上昇する。胴型３に到達したガラスの粘度も上昇する。胴型３の上型１が嵌め込まれる部分の内径よりも下型２が嵌め込まれる部分の内径を小さくしているため、ガラスが最初に胴型３に達する位置と、胴型３と下型２のクリアランス部入り口とを離すことができ、前記クリアランス部入り口に達するガラスは、胴型３によって十分熱を奪われて粘度が上昇しているため、クリアランス部に進入しない。

一方、上型１と胴型３のクリアランス部の入り口は、ガラスの先端が最初に胴型３に到達する位置から離れていないため、前記クリアランス部にガラスが進入して成形ばりになることはある。
しかし、成形ばりが生じたとしても、ガラス母材の第1の面の周辺に限られるため、ガラス母材を上記ワークホルダーに位置決め固定する際に支障を来たすことはない。
さらに、プレス成形型内にガラス素材を導入し、成形後はプレス成形品を型内から取り出すため、上型１は胴型３から着脱自在な構造にすることが求められる。また、プレス成形品も胴型３からスムーズに取り出せるよう、上型１を嵌め込む部分の胴型３の内径をプレス成形品の最大外径と等しくするか、前記胴型３の内径を大きくする。

このような構成にすることにより、胴型３を一つの部材で構成することができ、胴型構造を単純化することができるとともに、胴型３の精度を高精度に保ちやすくなる。
なお、胴型３の上型１を嵌め込む部分から下型２を嵌め込む部分に向けて、胴型３の内径をステップ状に縮径してもよいし、連続的に縮径してもよい。

胴型３の上型１を嵌め込む部分の内径φ_Ｕは、胴型３に嵌め込む部分の上型１の外径にほぼ等しく、胴型３の下型２を嵌め込む部分の内径φ_Ｌは、胴型３に嵌め込む部分の下型２の外径にほぼ等しい。ただし、胴型３内で上下型１、２を摺動するため、上型１の外径、下型２の外径を上記部分の胴型３の内径より僅かに小さくしておく。こうした関係から、本発明では胴型３に嵌め込む部分の上型外径を、胴型３に嵌め込む部分の下型外径より大きくする。

φ_Ｕ−φ_Ｌは、プレス成形品、すなわちガラス母材の大きさ、形状によって適宜決めればよいが、φ_Ｕ−φ_Ｌを１ｍｍ以上とすることがガラス母材の第２の面側の成形ばり発生を抑制する上で好ましい。ただし、φ_Ｕ−φ_Ｌを大きく取りすぎると光学素子母材では第２の面の光学機能面を確保できなくなり、プリフォーム母材では精密プレス成形における被プレス面を確保できなくなるため、φ_Ｌは目的とする光学素子の光学機能面の直径以上、目的とするプリフォームの被プレス面の直径以上とすることが望ましい。φ_Ｕ−φ_Ｌの上限としては３０ｍｍを目安に考えればよい。

図１に示すプレス成形型構造を用いることにより、第２の面の外周の成形ばりを抑制することができ、次工程におけるガラス母材の位置決め固定を支障なく行うことができる。
なお、再加熱プレス成形法で使用するプレス成形型材としては鋳鉄、ステンレス鋼、耐熱鋼、工具鋼などを用いることができ、プレス成形条件としては公知の条件を適宜適用することができる。

こうして得たガラス母材を、上型１を胴型３から外し、取り出し、アニールして歪を低減する。ガラス母材を光学素子母材とする場合は、アニールによって屈折率を所望の値に精密に一致させることが好ましい。

図１に示すプレス成形型を用いて成形したガラス母材の胴型３によって成形された面（ガラス母材の側面）、第２の面が球面研削工程における位置決め基準面となり得る。前述のようにワークホルダーにガラス母材を位置決め固定し、カーブジェネレータで第１の面を所望の曲率に球面研削加工する。第１の面の外周に成形ばりが存在していたとしても、この加工により成形ばりが除去され、さらに次の工程で第１の面を位置決め基準面として用いても成形ばりによる支障は生じない。

同様にして第２の面を球面研削加工した後、砂かけ、研磨の各工程を経て光学素子または精密プレス成形用プリフォームを作ることができる。
得られたプリフォームを加熱し、精密プレス成形して非球面レンズを作製することができる。
得られた光学素子には反射防止膜などを適宜コートしてもよい。

（実施例１）
所望の光学特性が得られるように調合したガラス原料を坩堝内に導入し、加熱、溶融して溶融物を得、溶融物を清澄、均質化して溶融ガラスを得た。この溶融ガラスを鋳型に流し込んでブロック状に成形し、アニールした後に賽の目状に切断し、カットピースと呼ばれるガラス片を複数個作製した。

次いで、カットピースをバレル研磨し、再加熱プレス成形法で作製しようとする母材の重量と等しいガラス素材になるように重量調整するとともに、表面を粗面化し、エッジの丸め加工を行った。

このようにして得たガラス素材の全表面に粉末状の窒化硼素を均一に塗布し、ガラス素材の粘度が１０^５〜１０^６ｄＰａ・ｓになるように加熱、軟化し、図１に示す鋳鉄製のプレス成形型を用い、球面凸メニスカスレンズ用母材を再加熱プレス成形法で作製した。

プレス成形型内へのガラス素材の導入にあたり、上型を胴型から外した状態で軟化したガラス素材を下型成形面の中央に導入した。次いで、上型を胴型に嵌め込んで、ガラス素材を上下型でプレスした。プレス圧力は１〜１０ＭＰａ、プレス時間は３〜８秒とした。

次に、上型を上昇させてプレス成形品を上型から離型し、上型を胴型から外し、下型上のプレス成形品を取り出した。
取り出したプレス成形品は所望の凸メニスカスレンズ近似形状に成形されており、上型成形面で成形された第１の面の外周に成形ばりの発生は認められたものの、下型成形面で成形された第２の面の外周に成形ばりは全く認められなかった。
なお、本実施例では上型を嵌め込む部分の胴型の内径φ_Ｕを６０ｍｍ、下型を嵌め込む部分の胴型の内径φ_Ｌを４０ｍｍとした。

プレス成形型から取り出したプレス成形品をアニールし、歪を低減するとともに屈折率を所望の値に精密に一致させ、第２の面を位置決め基準面としてカーブジェネレータのワークホルダーに精密に位置決め固定し、第１の面を所望の曲率になるよう球面研削加工した。

次いで、第１の面を位置決め基準面としてワークホルダーに精密に位置決め固定し、第２の面を所望の曲率になるよう球面研削加工した。
なお、上記各球面研削加工において、ガラス母材の側面、すなわち胴型によって成形された面をワークホルダーに固定する際の位置決め基準面にしてもよいし、第１の面を球面研削加工する際、ガラス母材の第２の面および側面を位置決め基準面に用いてもよい。また、第２の面を球面研削加工する際、ガラス母材の第１の面および側面を位置決め基準面として用いてもよい。

このようにして成形ばりによる支障を来たすことなしにガラス素材の第１の面、第２の面の球面研削加工を行うことができた。

（比較例）
次に、図２に示すプレス成形型を用いて実施例１と同様にガラス母材を再加熱プレス成形したところ、プレス成形品の第１の面と第２の面の外周に成形ばりが発生した。

（実施例２）
次に実施例１で作製した第１の面、第２の面が球面研削加工されたガラスを砂かけ、研磨し、さらに芯取り加工を行った球面凸メニスカスレンズを作製し、光学機能面に反射防止膜をコートした。

（実施例３）
次に実施例１で作製した第１の面、第２の面が球面研削加工されたガラスを砂かけ、研磨し、さらに芯取り加工を行った球面凸メニスカスレンズ形状の精密プレス成形用プリフォームを作製した。このプリフォームの全表面に炭素膜をコートし、成形面に炭素膜をコートしたＳｉＣ製のプレス成形型内に導入し、プリフォームとプレス成形型を一緒に加熱し、精密プレス成形して非球面凸メニスカスレンズを得た。得られたレンズを芯取りした後、反射防止膜をコートした。
なお精密プレス成形の条件は公知の条件を用いた。

本発明によれば、研削、研磨加工に適した光学素子母材やプリフォーム母材などのガラス母材を、再加熱プレス成形法を用いて作製し、作製されたガラス母材を研削、研磨してガラス製光学素子や精密プレス成形用プリフォームを製造することができる。

１、１´ 上型
２、２´ 下型
３、３´ 胴型

Claims

ガラス母材を研削、研磨してガラス製光学素子を製造するにあたり、
胴型と、前記胴型に嵌め込まれた状態で互いに対向してガラス素材をプレスする上型と下型とを備え、かつ、前記胴型の前記上型が嵌め込まれる部分の内径よりも前記下型が嵌め込まれる部分の内径が小さいプレス成形型を用い、粘度が１０ ^６ｄＰａ・ｓ以下になるように加熱、軟化したガラス素材をプレス成形型内に導入し、プレス成形することにより前記ガラス母材を作製し、
前記ガラス母材を、下型成形面および／または胴型成形面によって成形された面を位置決め基準面として研削装置に固定し、上型成形面によって成形された面を所望の曲率になるよう球面研削加工する工程を備えることを特徴とするガラス製光学素子の製造方法。
前記ガラス素材を前記上型と前記下型とでプレスして、前記上型成形面と前記下型成形面との接触面積を増加させつつ横方向に伸ばし、横方向に伸ばされた前記ガラス素材の先端が前記胴型に到達し、前記ガラス素材の前記胴型との接触部分の粘度が上昇してから、前記ガラス素材を前記胴型と前記下型とのクリアランス部入り口に到達させることにより、前記クリアランス部入り口に前記ガラス素材を進入させずに前記ガラス母材を作製する請求項１に記載のガラス製光学素子の製造方法。
前記胴型の前記上型を嵌め込む部分から前記下型を嵌め込む部分に向けて、前記胴型の内径を連続的に縮径させた請求項１または２に記載のガラス製光学素子の製造方法。
ガラス母材を研削、研磨して、ガラス製光学素子を精密プレス成形するための精密プレス成形用プリフォームを製造するにあたり、
胴型と、前記胴型に嵌め込まれた状態で互いに対向してガラス素材をプレスする上型と下型とを備え、かつ、前記胴型の前記上型が嵌め込まれる部分の内径よりも前記下型が嵌め込まれる部分の内径が小さいプレス成形型を用い、粘度が１０ ^６ｄＰａ・ｓ以下になるように加熱、軟化したガラス素材をプレス成形型内に導入し、プレス成形することにより前記ガラス母材を作製し、
前記ガラス母材を、下型成形面および／または胴型成形面によって成形された面を位置決め基準面として研削装置に固定し、上型成形面によって成形された面を所望の曲率になるよう球面研削加工する工程を備えることを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
前記ガラス素材を前記上型と前記下型とでプレスして、前記上型成形面と前記下型成形面との接触面積を増加させつつ横方向に伸ばし、横方向に伸ばされた前記ガラス素材の先端が前記胴型に到達し、前記ガラス素材の前記胴型との接触部分の粘度が上昇してから、前記ガラス素材を前記胴型と前記下型とのクリアランス部入り口に到達させることにより、前記クリアランス部入り口に前記ガラス素材を進入させずに前記ガラス母材を作製する請求項４に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
前記胴型の前記上型を嵌め込む部分から前記下型を嵌め込む部分に向けて、前記胴型の内径を連続的に縮径させた請求項４または５に記載の精密プレス成形用プリフォームの製造方法。
請求項４〜６のいずれか一項に記載の方法で精密プレス成形用プリフォームを作製し、前記精密プレス成形用プリフォームを加熱して精密プレス成形するガラス製光学素子の製造方法。