JPH0451495B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、例えば、レンズ、プリズム、その
他の光学素子を押圧成形によつて生産するための
光学素子用成形型の製造方法に関する。

「従来の技術」 従来、レンズ等の光学素子を生産するには、ガ
ラスを溶融し、これを金型内に注入して、大略の
レンズ形状のレンズ素材に押圧成形し、このレン
ズ素材をダイヤモンド砥石等を使つて研削加工
し、その後、酸化セリウム等にて研磨する方法が
採用されていた。

しかし、このような押圧成形後に研削加工や研
磨工程を要する従来技術においては、レンズ等の
光学素子を仕上げるまでに多くの作業工程と高度
な熟練技術を必要とし、そのために、光学素子に
要求される高い面精度と面粗度とを得るために多
くの時間と費用がかかるという問題点があつた。
特に、収差補正に有効とされる非球面レンズの製
作においては、さらに高度な製作技術が要求され
るので、安価で高精度を有する光学素子を大量生
産することは極めて困難な状態であつた。

そこで、最近では、ガラス材を加熱し成形用型
を使つて押圧成形するだけで、つまり、押圧成形
後の研削、研磨加工を一切施すことなく高い面精
度と面粗度とを有するレンズを製作する方法が案
出されており、上記問題点は解決されつつある。

この種の方法の従来技術としては、例えば、特
開昭52−45613号公報に記載された技術がある。
この技術の概略は不活性ガスの雰囲気中で特殊な
材料よりなる金型の内にレンズ素材（ガラス）を
置き、加熱しながら金型によつてレンズ素材を押
圧成形し、金型と成形されたレンズとを転移点温
度以下になるまで押圧し続けて成形するという方
法である。

上記のように押圧成形する方法では、光学素子
に要求される高い面精度と面粗度とを得るために
金型についても同様に高精度の面精度と面粗度が
要求される。

また、この金型はレンズ素材の転移点温度以上
の温度で押圧成形するため、そのような高温の雰
囲気で充分な強度を有すること、押圧成形する雰
囲気での耐候性、高温度においてレンズ素材に対
しての化学反応性が少なくこと、金型のプレス面
にすり傷等の損傷を受けにくいこと、熱衝撃によ
る耐破壊性能が高いことなどが必要である。

このような要請に応えられる金型材料として
は、炭化ケイ素、窒化ケイ素などの材料、あるい
は、高密度カーボンの上に炭化ケイ素、窒化ケイ
素などのコーテイング膜を形成したものが適して
いるとされており、いろいろ検討が加えられてい
る。

その他、超硬合金を放電加工で加工し、その上
に炭化ケイ素のコーテング膜を形成する金型の製
法も開発されている（特開昭62−3030号参照） 「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、炭化ケイ素（SiC）、窒化ケイ
素（Si₃N₄）等の材料は硬度が極めて高いため、
これらの材料を加工して球面レンズあるいは、非
球面レンズの形成用金型を高精度に加工すること
は非常に困難である。

また、超硬合金の金型が放電加工で加工できる
とはいうものの、加工に時間がかかつたり、超硬
合金は一般にタングステンカーバイト（WC）に
コバルト（Co））などの金属を加えて焼結したも
のであるから、結晶粒界や、空孔などが合金中に
含まれ、これらが金型表面に表われると、高精度
なレンズを生産することが困難になるといつた問
題があつた。

「課題を解決するための手段」 本発明は上記した問題点にかんがみ、加熱して
軟化させた光学素子用材料を押圧成形して光学素
子を生産する手段に使用する光学素子用成形型を
可能なるかぎり、簡単に、かつ、高精度に製造す
る方法を開発することを目的とする。

そこで、この発明では、生産する光学素子の有
効形成面に対応して型面形成したマスター型を作
つた後、このマスター型の型面にカーボンコーテ
ングを施す。

次に、マスター型の型面には成形型となるガラ
ス材を対接し、これらマスター型とガラス材とを
真空中で加熱する。

ガラス材は加熱により軟化し、それにマスター
型の型面形状が転写されるため、その後、加熱す
ることにより成形型が製造される。

「作 用」 成形型となるガラス材が加熱することによつて
軟化し、マスター型の型面に対して高密度の状態
で接合するため、その型面形状の転写が非常に正
確に行なわれ、製造された成形型が高い精度のも
のとなる。

また、マスター型は、ニツケル（Ni）、銅
（Cu）等の金属で製作できるため、球面または非
球面の光学素子を問わず、その型面形成が容易と
なり、このようなマスター型の型面形状をガラス
材に加熱転写させるため、成形型の製造が簡単
で、その上、マスター型の型面にカーボンコーテ
ングを施すことによつてガラス材の熱融着を確実
に防ぐことができる。

「実施例」 次に、この発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。

第１図から第５図は、この発明の一実施例を示
す光学素子用成形型の製造工程図、第６図は生産
しようとする光学素子としてのレンズを示す断面
図である。

ここでは、先ず、レンズ７の有効形成面７ａを
形成するための成形型の製造方法について説明す
る。第１図は金属材からなるマスター型１を示す
断面図である。このマスター型１はニツケル金属
（Ni）によつて製作してあり、直径20mm、長さ15
mmの大きさに設定し、その一端面はレンズ７の有
効形成面７ａと同一形状となるように曲面形成し
た。これが型面１ａとなつている。

マスター型１の材質としては、ニツケル金属
（Ni）の他に、アルミニウム、銅合金、無酸素銅
などが適している。マスター型１の型面１ａは、
ダイヤモンドのバイトを用いた超精密旋盤によつ
てレンズ７の生産に要求される面形状に球面もし
くは非球面形状に切削し、その後、引き目を除く
ためダイヤモンドペーストで表面を研磨した。研
磨面の表面荒さはRtm0.068μｍであつた。その
後、第２図に示すように真空蒸着によりりマスタ
ー型１の型面１ａの上にカーボンを0.2μｍの厚さ
にコーテングしてカーボン層２を設けた。このカ
ーボン層２は、後の工程において成形型となるガ
ラス材を熱変形させる場合に、ガラス材がマスタ
ー型１に融着するのを防ぐためのものであり、上
記の前工程で得られた型面１ａの形状を崩さない
程度に薄いことが望ましい。

なお、この実施例で形成した型面１ａはレンズ
７の有効形成面７ａに合せて半径35mmの球面に形
成してある。

次に、実際の成形型となるガラス材を第３図に
参照符号３をもつて示す如く用意する。

このガラス材３は外径20mm、中心部の厚さが５
mmの大きさのもので、その一方の面を平面とし、
その他方の面を半径36mmの球面に形成してある。
この他方面をなす球面は酸化セリウム等で研磨
し、キズ、砂目等がない面に仕上げてある。本実
施例においては、ガラス材３として、光学ガラス
BK７（小原光学硝子製作所の製品）を使用して
作られている。光学ガラスBK７の転移点は565
℃、屈伏点は624℃、軟化点は715℃、線膨張係数
は86×10^-7cm/degcmである。

一方、マスター型１の上に上記のガラス材３を
第３図の様に置き、真空加熱炉の中でマスター型
１と共にガラス材３を750℃に加熱し、ガラス材
３を軟化変形させ、ガラス材３の研磨面とマスタ
ー型１の型面１ａとが確実に面接合して一致する
様にする。

このように、加熱が真空加熱炉の中で行なわれ
ているため、ガラス材３とマスター型１の間に空
気が存在しないため、マスター型１の型面１ａ形
状がガラス材３に正確に転写される。なお、真空
加熱炉の真空度は、１×10^-5Torrである。上記
の加熱を空気中で行なうと、ガラス材３が軟化し
マスター型１の形状に倣う時に、マスター型１と
ガラス材３との間に空気を取り込んでしまい、取
り込まれた空気が加熱により膨張しガラス材３の
表面に泡状の気泡を生じさせることがある。

次に、加熱温度をゆつくり下げ、アニールによ
つてガラス材３に含まれている歪を取り除く。そ
の後、マスター型１とガラス材３とを真空加熱炉
より取り出し、これらを分離する。

取り出したガラス材３は第５図に示すように、
型成形面４の反対側を平らに加工し、また、コー
テングされているカーボン層２を均等研磨方法に
より型成形面４の形状が離れないようにして取り
除く。

この様にしてガラス材３からなるレンズ成形用
の成形型５が作られる。

また、レンズ７を製作する光学ガラスを押圧成
形するための金型として上記成形型５を使用する
ために、型成形面４に白金〜95％−金５％合金膜
６をスパツタリングにより厚さ2μｍに厚さでコ
ーテングした。この合金膜６は押圧成形されるレ
ンズ７と成形型５とが熱融着するのを防ぐもので
ある。

なお、押圧形成されるレンズ７と成形型５との
熱融着を防ぐための保護層としては、上記した合
金膜６の他に酸化アルミニウム（Ａ₂O₃）、窒
化チタン（TiN）、ＡＮ、白金（Pt）、炭素(C)
等により膜形成しても有効である。

次に、上記した成形型５を使用して光学素子と
してのレンズを生産する一例について説明する。
第８図及び第９図は押圧成形装置の簡略図を示
し、この装置に設備した成形上型１１と成形下型
１２は既に説明した実施例にしたがつて成形型５
と同様に製作したものである。

成形工程１１は上側の油圧シリンダ１３に取り
付けてあり、成形下型１２は下側の油圧シリンダ
１４に取り付けてあり、また、これら上型１１と
下型１２との温度を測定するための熱電対１５，
１６が各油圧シリンダ１３，１４に配設してあ
る。その他、１７は加熱炉内に設けられたヒータ
ー、１８は成形部、１９は成形部に連通するガス
送入口である。

光学素子用材料の一例として、光学ガラス２０
（SFS 01、小原光学硝子製；転移点約393℃）を
用意し、当該光学ガラス２０を球形に研磨加工す
る。この研磨加工に当たり、重量を体積に換算し
て体積調整を行なつた。

然る後、成形下型１２の型成形面を構成する凹
部の上側に、上記の光学ガラス２０を載置し、成
形部１８を外気と隔絶して、成形上型１１及び成
形下型１２の温度を熱電対１５，１６によつて測
定しながら、これら上型１１と下型１２の温度が
約420℃となるまで、ヒーター１７により加熱を
行なう。

この際、上型１１と下型１２の劣化を軽減する
ため、ガス送入口１９を介して成形部１８に窒素
ガスを導入し、還元性雰囲気として加熱を行な
う。上型１１及び下型１２の温度が約420℃に達
した後、第９図からも理解できるように、上側の
油圧シリンダ１３を下降させて約80(Kg/cm²)の圧
力で圧接し、前述の光学ガラス２０を圧接成形す
る。

この状態で、ヒーター１７の加熱を停止させて
光学ガラス２０と、上型１１及び下型１２とを放
熱する。その後、熱電対１５，１６により、上型
１１と下型１２の温度が光学ガラス２０の転移点
よりも低いこと（約390℃以下）を確認した時点
で、上側の油圧シリンダ１３を上昇させ当該押圧
成形装置から押圧成形品を取り出し、第６図に示
すようなレンズ７を得る。

このようにして生産したレンズ７は前述したマ
スター型１に形成した型面１ａと実質的に同一の
球面を有し、この発明の方法により製造された成
形型が、極めて高精度に仕上がつていることが確
認できた。

また、上記の成形上型１１と下型１２を用いて
光学素子繰り返し押圧成形したところ、高い再現
性を以つて光学素子を製造することができた。

以上一実施例について説明したが、本発明は球
面レンズの成形型にかぎらず、非球面レンズの成
形型についても同様に製造することができ、ま
た、マスター型１はニツケル合金や銅合金などの
最も型面形成し易い材料を用いて作ることができ
ると共に、成形型となるガラス材３は光学ガラス
BK７の外、他の適当なガラス材を用いることが
できる。

「発明の効果」 上記した通り、本発明に係る製造方法によれ
ば、マスター型がニツケル（Ni）、銅（Cu）等の
金属材で製作するため、球面または非球面の光学
素子を問わず、生産すべき光学素子の有効形成面
に対応した型面形成が容易となり、また、マスタ
ー型の型面形状をガラス材に加熱転写させて光学
素子用の成形型を製造するため、成形型の型成形
面精度が高く、その上、マスター型の製作の容易
さと相俟つてこの成形型の製造が簡単となる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明の一実施例を示す光学
素子用成形型の簡略的な製造工程図、第６図は製
造された光学素子用成形型の断面図、第７図は生
産しようとするレンズの断面図、第８図及び第９
図は押圧成形装置の簡略図で、第８図は押圧成形
する前の状態を、第９図は押圧成形の状態を各々
示す。 １…マスター型、１ａ…型面、２…カーボン
層、３…ガラス材、４…型成形面、５…成形面、
７…レンズ、７ａ…有効形成面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 加熱して軟化させた光学素子用材料を押圧成
   形して光学素子を生産する手段として使用される
   光学素子用成形型の製造方法において、マスター
   型の型面を、生産する光学素子の有効形成面に対
   応して形成した後カーボンコーテングし、マスタ
   ー型及びこれに対接させたガラス材を真空中で加
   熱し、軟化したガラス材にマスター型の型面形状
   を転写させ、ガラス材からなる光学素子用の成形
   型を製造することを特徴とする方法。