JP4460339B2 - モールドプレス成形装置及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、得ようとする光学素子の形状にもとづいて精密加工された成形型を用い、ガラス素材などの成形素材をプレス成形する精密モールドプレス成形技術に関し、特に、精密モールドプレス成形を行うモールドプレス成形装置と、それを用いたプレス成形により得られる光学素子の製造方法に関する。

近年、得ようとする光学素子の形状にもとづいて精密加工された成形型を用い、加熱により軟化した成形素材（例えば、光学ガラスからなるガラス素材）をプレス成形することにより、融着などの問題を生じることなく、高精度な光学素子（例えば、ガラスレンズ）を成形する方法が種々開発されてきている（例えば、特許文献１〜６参照。）。

このようなプレス成形によって、所望のレンズを得るには、外観、表面形状、肉厚、外径、偏心などの様々な規格を満足させなければならない。さらに、このようなガラス光学素子の成形方法を実用化するにあたっては、生産性が大きな問題となる。すなわち、より短い時間で、より多くのガラス光学素子を如何に安く生産できるかが大きな課題である。

プレス成形に用いるガラス素材の製造方法としては、熱間成形が知られている。これは、所定量の溶融ガラスを受け型に滴下又は流下してガラス塊を成形する方法である。このように熱間成形されたガラス素材は、研磨などの加工を行わなくても所望の体積や表面性が得られ、しかも生産効率が高いので、冷間加工によるガラス素材の成形に比べてコスト的に有利である。

特許文献１には、上記のようなガラス素材の熱間成形において、溶融ガラスゴブの上面にヒケが発生することを防止するために、あるいは、ガラスゴブをプレス成形で用いられる成形型の曲率半径に対応させるために、溶融ガラスの上面を盛り上げる工程が記載されている。

さらに、精密モールドプレスの生産性（コスト効率）を向上させる方法としては、次の二つが挙られる。その一つは、一装置あたりの単位時間加工数を増加させることであり、一装置あたりの並列加工数を増加することや、一つの加工に要する時間を短縮することがこれにあたる。もう一つの方法は、加工に要する種々費用を低減することであり、装置作製費用、運転費用、被成形部材費用などの削減がこれにあたる。

単位時間加工数の向上、すなわち一回当りの加工時間を短縮するには、成形型の加熱冷却サイクルをより短縮する必要があり、そのための成形条件、特に成形時におけるガラス素材と成形型の温度条件について、様々な提案がされている。
例えば、特許文献２には、１０^７〜１０^９ポアズの粘度まで加熱したガラス素材を、このガラス素材が１０^１０〜１０^１２ポアズの粘度を示す温度の成形型で加圧成形する方法が記載されている。

また、特許文献３〜５には、ガラス素材を気流により浮上させながら加熱軟化し、これを成形型に落下供給する方法が記載されている。
さらに、特許文献６には、成形面上に落下供給された被成形を、成形面の中央に移動させる位置修正手段が開示されている。
これらの構成によれば、加熱時、移送時、落下供給時などにおいて、ガラス素材が支持部材に融着するといった問題や、成形面に対するガラス素材の位置ズレにより成形精度が低下するといった問題が解消されるので、歩留まりが向上し、コスト的に有利となる。
特開２００１−１６３６２７号公報 特開平７−１０５５６号公報 特開平８−１３９７５８号公報 特開平６−３４０４３０号公報 特開平８−２５９２４２号公報 特開２００３−１０４７４１号公報

上記のようなプレス成形においては、得ようとする光学素子の精度を確保するために、プレス条件（プレス荷重、温度、及びそれらのスケジュール）が最適化される。しかしながら、最適化されたプレス条件で連続プレスを行っても、個々のガラス素材の条件が異なると、表面形状精度、外観性能などが不安定になる場合がある。

すなわち、ガラス素材は、体積が一定であっても、プレスにより変形される上面や下面の曲率に個体差があると、プレス精度の再現性が厳密には得られない。また、個々のガラス素材を予熱した後、成形型に供給する場合には、予熱による温度分布に個体差があると、プレス条件が一定にならない。

さらに、高精度のガラス光学レンズは、球面又は非球面形状の凹型又は凸型を用い、加熱軟化されたガラス素材をプレスすることにより、所定形状のレンズに成形されるが、プレス成形に用いるガラス素材は、原則として、次の制限に合致した形状のものを使用する必要がある。

（１）凹面形状型の場合は、凹面形状型と密着するガラス素材の表面形状を、凹面形状型の曲率半径と同等もしくはそれ以下の曲率半径を有する凸面形状とする。
（２）凸面形状型の場合は、凸面形状型と密着するガラス素材の表面形状を、平面形状、凸面形状、又は、凸面形状型の曲率半径と同等もしくはそれ以上の曲率半径を有する凹面形状とする。

これは、プレス成形の際に、成形品の表面に雰囲気気体のガス溜まりを発生させないための制限事項である。例えば、凹面形状の成形面２１上に供給されたガラス素材（成形素材）の表面形状が、図１２に示すように、成形面２１の曲率以上の曲率半径を有する凸面形状であった場合、ガラス素材と成形面２１との間に閉空間Ｓが形成される。そして、この閉空間Ｓ内にガスが残存してしまうため、成形レンズにガス痕が生じ、形状不良の成形品となる。そこで、前記該制限事項を満たすように、成形型の形状に応じて、平板状、球状、両凸曲面状などのガラス素材を適宜使用することが求められる。

しかしながら、両凸曲面形状のガラス素材は、上面と下面の曲率半径が一致しない場合が多い。また、得ようとする光学素子も、上面と下面が同一形状であることは稀であり、上下の成形型がそれぞれ異なった曲率半径の成形面を有しているのが通常である。したがって、上下の成形型双方を考慮すると、ガラス素材の形状に関する制限事項として、さらに、次の事項が必要となる。

（３）ガラス素材の一方の表面は、上型の制限事項を満たす曲率半径とし、他方の表面は、下型の制限事項を満たす曲率半径とし、かつ、下型に対するガラス素材の供給に際し、上下面の向きが常に一定となるようにガラス素材を下型上に配置する。

なお、特許文献１の技術では、ガラス素材の表面を盛り上げることによって、ガス溜りを生じにくくしているが、ガラス素材の上下面の形状が対称ではないため、成形型への供給時に、一部に反転が生じれば、プレス成形条件が一定にならず、また、上下の型形状によっては、反転したものについてガス溜りの不良が生じる。

ところで、特許文献２の技術では、成形型の温度を不必要に高くしないことで、昇温及び降温に要する時間を縮め、サイクルタイムを短くすることができる。また、特許文献３の技術では、ガラス素材を浮上状態で１０^５．５〜１０^９．０ポアズの粘度に加熱軟化し、これを落下により成形型に移送することによって、治具とガラスの間にガス層を形成し、治具とガラスとの反応を防ぐとともに、ガラス素材の形状を維持しつつ加熱軟化することができる。

これらのように、成形型以外の場所で加熱軟化したガラス素材を、成形前に成形型に移送・供給すると、サイクルタイムを短縮できるだけでなく、高温下におけるガラス素材と成形型の密着時間が短くなり、成形型の劣化防止にも効果がある。

ガラス素材を下型上に配置するためには、落下供給が有利である。特に、上記のように軟化状態のガラス素材を成形型に配置するときには、移送治具とガラス素材の間で融着や表面欠陥を生じさせないようにする配慮が必要である。そこで、ガラス素材を、実質的に非接触となるように治具で浮上保持し、その状態から下型上に落下供給する供給方法が有利である。

上記状況下で、不良品の発生率を低下させるべく、本発明者が、鋭意研究を行っていたところ、浮上状態からの落下に際しては、ガラス素材が不規則な上下反転が生じやすいことを見出した。すなわち、ガラス素材を落下供給すると、その落下経路においてガラス素材が回転し、下型上に落下する際に反転する場合がある。したがって、ガラス素材の上面と下面の形状が同一でない場合に、ガラス素材の反転によって、プレス条件にばらつきが生じたり、上記した制限事項を逸脱して成形品にガス溜りを生じる可能性がある。
なお、特許文献６では、下型の成形面上でガラス素材の位置を修正しているが、ガラス素材の上下反転を修正できるものではない。

本発明は、ガラス素材を落下供給するときに反転しやすいという現象に着目してなされたものであり、上下面の形状が異なる成形素材を下型上に落下供給する際に、この成形素材を、上下面が常に一定の配置となるよう安定的に供給することにより、プレス条件を一定にするとともに、成形品にガス溜りが生じる不都合を防止し、その結果、面精度の高い光学素子を歩留まり良く生産することができるモールドプレス成形装置及び光学素子の製造方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため本発明のモールドプレス成形装置は、互いに対向する成形面を有した上型と下型によって、成形素材をプレス成形するモールドプレス成形装置において、前記下型上に前記成形素材を落下供給する成形素材供給手段と、前記成形素材が前記下型上に落下供給されるとき、その落下経路で前記成形素材の姿勢を制御するガイド手段とを備え、前記ガイド手段が、前記落下経路で開閉動作する複数の部材からなり、前記落下経路において、少なくとも一度、閉状態で前記成形素材を静止させ、その後の開動作によって前記成形素材を再落下させる構成としてある。
このように構成すれば、上下面の形状が異なる成形素材を下型上に落下供給する際に、その落下経路で成形素材の姿勢を制御することによって、上下面が常に一定の配置となるように、成形素材を下型上に安定的に供給することができる。

また、前記ガイド手段が、前記落下経路において、少なくとも一度、前記成形素材を静止させる構成とすることで、成形素材の姿勢を落下途中で一度修正することができるだけでなく、成形素材の実質的な落下距離を短くすることができるので、成形素材の反転を効果的に防止することができる。

また、前記ガイド手段が、前記落下経路で開閉動作する部材からなり、閉状態で前記成形素材を静止させ、その後の開動作によって前記成形素材を再落下させる構成とすることで、落下する成形素材をガイド手段で確実に受け止めることができるだけでなく、ガイド手段の開動作によって、姿勢を乱すことなく成形素材を再落下させることができる。

また、本発明のモールドプレス成形装置は、前記ガイド手段が、前記下型上に落下した前記成形素材の位置を修正する位置修正手段に設けられる構成としてある。さらに、前記ガイド手段を、前記成形素材を前記下型上に落下供給する前記供給手段に設ける構成とすることもできる。
このように構成すれば、ガイド手段と位置修正手段あるいはガイド手段と成形素材供給手段の兼用化により、部品点数の削減や、構造の簡略化を図ることができる。
また、位置修正手段を備えるモールド成形装置においては、成形素材の落下距離を延長することなく、ガイド手段を設けることが可能になるので、成形素材の反転防止効果を高めることができる。

また、本発明における光学素子の製造方法は、互いに対向する成形面を有した上型と下型を用い、加熱により軟化した状態の成形素材を連続的にプレス成形して得られる光学素子の製造方法において、前記下型上に前記成形素材を落下供給するにあたり、前記下型上に落下した前記成形素材の姿勢が一定となるように、前記成形素材の落下経路で開閉動作する複数の部材からなるガイド手段により、前記落下経路において、少なくとも一度、前記ガイド手段が閉状態で前記成形素材を静止させ、その後の開動作によって前記成形素材を再落下させることにより、前記成形素材の姿勢制御を行う方法としてある。
このとき、前記姿勢制御が、落下供給後における前記成形素材の姿勢を、落下供給前における前記成形素材の姿勢と一致させるように行われることが好ましい。

このような方法にすれば、上下面が常に一定の配置となるように、成形素材を下型上に安定的に供給することができる。これにより、プレス条件を一定にするとともに、成形品にガス溜りが生じる不都合を防止し、面精度の高い光学素子を歩留まり良く生産することが可能になる。
また、本発明における光学素子の製造方法は、前記下型上に前記成形素材を落下供給した後に、前記成形素材の外周に接触する位置修正手段により、前記下型上における前記成形素材の位置を修正する方法とすることで、精度の高いプレス成形が可能になる。

なお、本発明における光学素子の製造方法は、以下の条件で適用すると特に高い効果が得られる。

前記成形素材を、１０^９ポアズ未満の粘度に相当する温度に加熱された状態で、前記下型上に落下供給する。

前記成形素材を、溶融ガラスを受け型に滴下又は流下して予備成形されたガラス素材とする。

前記成形素材が、所定の姿勢で前記下型上に供給された場合には、プレス成型時において前記成形面との間に閉空間を生じさせず、上下反転した姿勢で前記下型上に供給された場合には、プレス成型時において前記成形面との間に閉空間を生じさせる形状である。

前記成形素材が、両凸曲面形状に予備成形されたものであり、かつ、その両凸曲面が、相互に曲率の異なる曲面である。

得ようとする光学素子が、第１面、第２面の曲率半径をそれぞれＲＬ１、ＲＬ２とする両凸レンズであり、これらに対応するガラス素材の両凸曲面の曲率半径をそれぞれＲ１、Ｒ２としたとき、
ＲＬ１≧Ｒ１
ＲＬ２≧Ｒ２
かつ、ＲＬ１＜Ｒ２、又は、ＲＬ２＜Ｒ１
を満たす。

以上のように、本発明によれば、上下面の形状が異なる成形素材を下型上に落下供給する場合であっても、その落下経路で成形素材の姿勢を制御することにより、上下面が常に一定の配置となるように、成形素材を下型上に安定的に供給することが可能になる。これにより、プレス条件を一定にするとともに、成形品にガス溜りが生じることを防止し、面精度の高い光学素子を歩留まり良く生産することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

［モールドプレス成形装置］
まず、本発明の実施形態に係るモールドプレス成形装置について、図１〜図７を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るモールドプレス成形装置の要部断面図、図２は、下型の平面図、図３（Ａ）は、成形素材供給手段の平面図、図３（Ｂ）は、位置修正手段の平面図、図４（Ａ）は、位置修正手段に設けられるガイド部材の平面図、図４（Ｂ）は、ガイド部材のＸ−Ｘ断面図である。

これらの図に示すように、モールドプレス成形装置は、ガラス素材（成形素材）をプレスする上型１０及び下型２０を有している。上型１０及び下型２０は、ニッケル又はタングステンなどの合金素材を用いて構成される上母型及び下母型２２を有し、ており、横方向に長い形状を有している。また、上型１０及び下型２０の各対向面には、ガラス素材に所定の形状を転写するための超硬（ＷＣ）やセラミクス（Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＣ）からなる成形面１１，２１が複数形成されている。

上型１０及び下型２０は、各対向面と反対の側において、上主軸（図示せず）及び下主軸（図示せず）に取り付けられている。上主軸は、装置フレーム（図示せず）に固定され、下主軸は、モータ（図示せず）により鉛直方向に駆動される。すなわち、下主軸の駆動により、上型１０と下型２０の接近動作及び離間動作が行われるようになっている。また、上型１０及び下型２０の周囲には、これらを高周波誘導加熱する誘導加熱コイルＣが設けられている。

モールドプレス装置は、加熱により軟化したガラス素材を、上型１０と下型２０との間に移送し、下型２０上に落下供給する成形素材供給手段３０を備えている。成形素材供給手段３０は、耐熱性の高い金属（例えば、ステンレス合金）により成形される長尺な支持アーム３１と、その長手方向に沿って一列に配置される複数の浮上皿３２とから構成されている。浮上皿３２は、すり鉢状の受け部を有し、ここでガラス素材を保持するようになっている。浮上皿３２の材質としては、高密度カーボンの表面をグラッシーカーボンとしたものを用いることができる。

支持アーム３１内部には、浮上皿３２の受け部に対し、下方から不活性ガスを送るガス孔３１ａが形成されている。このガスの圧力により、ガラス素材が浮上皿３２内で僅かに浮上されながら搬送されるようになっている。支持アーム３１及び浮上皿３２は、その幅方向の中心線において二つに分割されており、図示しない開閉駆動手段によって平行方向に開閉される。つまり、下型２０の上方位置で支持アーム３１及び浮上皿３２を開くことにより、浮上皿３２の受け部で浮上保持されたガラス素材が、下型２０の成形面２１上に落下供給される。

モールドプレス装置は、成形素材供給手段３０と下型２０の間に配置され、ガラス素材の位置修正を行う位置修正手段４０を備えている。位置修正手段４０は、横方向に長尺なガイドアーム４１と、その長手方向に一列に配置される複数のガイド部材４２とから構成されている。ガイドアーム４１及びガイド部材４２は、成形素材供給手段３０と同様に、その幅方向の中心線において二つに分割されており、図示しない開閉駆動手段によって平行方向に開閉される。
なお、ガイドアーム４１及びガイド部材４２は、成形素材供給手段３０と同様に、耐熱性の高い素材で構成されることが好ましい。

ガイド部材４２は、分割可能な筒形状（例えば、円筒形状）であり、その内径寸法は、ガラス素材の外径と同等又はそれよりも僅かに大きい程度に設定されている。ガラス素材が下型２０上に落下供給された直後は、ガイド部材４２が開状態であり、その後に閉動作される。ガイド部材４２が閉じるとき、その内周面がガラス素材の外周に接触し、ガラス素材を下型２０の成形面中心位置へ移動させる。これにより、下型２０上におけるガラス素材の位置が修正され、精度の高いプレス成形が可能になる。

本発明のモールドプレス装置は、ガラス素材が下型２０上に落下供給されるとき、その落下経路でガラス素材の姿勢を制御し、ガラス素材の反転を防止するガイド手段５０を備えている。このようなガイド手段５０としては、落下中のガラス素材を、少なくとも一度静止させるものであることが好ましい。落下距離が長いと、反転する確率が上昇するため、短い落下距離においてガラス素材を一旦静止させることが好ましい。また、落下中のガラス素材を一旦静止させると、不規則な回転によって姿勢の崩れ始めたガラス素材を、落下前の姿勢に戻すことができる。したがって、ガラス素材を静止させるガイド手段５０は、ガラス素材が落下前の姿勢となるように、ガラス素材を一時的に支持することが好ましい。

ガイド手段５０は、落下経路においてガラス素材を一旦静止させた後、退避動作によって落下経路を開放し、ガラス素材を再落下させることが好ましい。このときに、ガラス素材に不規則な回転力を与えないように、ガイド手段５０は複数の部材からなり、これらが等方的に等しい速度で退避することが好ましい。例えば、位置修正手段４０に設けられる分割されたガイド部材４２のそれぞれの内周上部に、ガイド手段５０となる凸部を形成し、ガイド部材４２の開閉動作を利用してガラス素材の静止及び再落下を行うことができる。この場合、ガイド手段５０が閉じた状態で、落下中のガラス素材を、その一部との接触により受け止め、その後、ガイド手段５０が開いて落下経路から退避することにより、落下経路を開放してガラス素材を再落下させることができる。

ガイド手段５０は、ガラス素材の周縁部分のみと接触することが好ましい。例えば、ガラス素材の周縁部を支持し、その後に再落下させる部材が、中空構造の段形状により構成されている場合、中空部分の最長径をＸ、ガラス素材の水平方向最外径をＹ、ガイド水平方向の開閉量をＺとしたとき、ガラス素材の水平方向最外径がＸ＜Ｙ＜Ｘ＋Ｚの関係を満たす構造とすることができる。このようにすると、ガイド手段５０がガラス素材を確実に静止させ、かつ確実に再落下させることができる。

ここで、ガイド手段５０の中空部の最長径Ｘは、得ようとする光学素子の光学的有効径を考慮し、過分に小さくしないことが好ましい。すなわち、光学素子の有効径をＤとしたとき、それに対応する部分のガラス素材の径がＤ’であれば、Ｘ＞Ｄ’であることが好ましい。このようにすると、光学素子の有効径内となる部分に表面欠陥を与えることがない。

ガイド手段５０を構成する部材は、少なくともガラス素材と接触する部分が、ガラス素材に損傷を与えない形状であることが好ましい。例えば、ガラス素材との接触面を適度な傾斜面（例えば３０°）あるいは曲面とすれば、接触時におけるガラス素材の損傷を回避することができる。

また、図５に示すように、ガラス素材との接触面から不活性ガスを噴出し、ガラス素材を浮上保持するようにしてもよい。例えば、ガイド手段５０を位置修正手段４０に設ける場合は、ガイドアーム４１及びガイド部材４２にガス孔４１ａ、４２ａを形成し、これを成形素材供給手段３０のガス供給源に接続すれば、ガラス素材との接触面から不活性ガスを噴出させることができる。このようにすると、ガラス素材の損傷確率をさらに低下させることができる。

ガイド手段５０は、落下経路に一個設け、落下距離を二分割する状態としてもよく、また、落下経路が長い場合には、二箇所に設けて三分割してもよい。すなわち、前記ガイド手段５０をＮ個備えれば、ガラス素材の落下経路を、垂直方向に（Ｎ＋１）分割することができる。例えば、図６の（Ａ）に示すように、ガラス素材の落下経路に三個のガイド手段５０を設ければ、落下経路を四分割することができる。この場合、ガイド手段５０は、下側ほど突出量が大きくなるようにし、再落下の際にガイド手段５０を低速で退避動作させることが好ましい。このようにすると、ガイド手段５０が退避する過程で、ガラス素材を一段ずつ落下させることができる。

ガイド手段５０の設置高さは、落下経路の距離に応じて任意に設定することができる。例えば、図６の（Ｂ）に示すように、落下経路の距離が長い場合は、ガイド部材４２の中間又は下側にガイド手段５０を設け、再落下時の落下距離を短くすることができる。

また、ガラス素材の落下距離が長い場合は、図６（Ｃ）に示すように、ガイド手段５０自体の高さを大きくし、高さ方向の広い範囲でガラス素材に接触するようにしてもよい。このとき、ガイド手段５０の接触面を適度な傾斜面（例えば４５°）とし、再落下の際にガイド手段５０を低速で退避動作させれば、ガイド手段５０が退避する過程で、ガラス素材を徐々に下方へ移動させることができる。

なお、ガラス素材の反転確率を下げるためには、落下距離そのものを低減させることが考えられるが、これは必ずしも容易ではなく、又は有利でない。
例えば、ガラス素材を浮上落下させる場合には、ガラス素材を浮上状態で下型２０上に移送するために、成形素材供給手段３０にガス供給路が設けられ、成形素材供給手段３０には所定の厚みが必要となる。また、成形素材供給手段３０自体の熱変形を抑止するためにも、成形素材供給手段３０の厚みは必要である。

また、製品規格に精密に合致した表面形状精度を得るには、加熱軟化したガラス素材の水平方向中心位置が下型２０の成形面の水平方向中心位置に合致するように、ガラス素材を精密に配置する必要がある。成形面上の偏った位置でガラス素材がプレス成形されると、偏肉や、プレス荷重の不均等により、形状不良、面精度不良が生じるからである。したがって、成形面上に供給された直後に、成形面上の成形素材を精密に位置修正する位置修正手段４０を設けることが有効である。このため、ガラス素材を落下させる成形素材供給手段３０と下型２０の間には、所定の間隔が必要となる。

一方、本発明のガイド手段５０を設けることにより、落下距離がさらに延長されることは好ましくない。したがって、位置修正手段４０に本発明のガイド手段５０を設けることが有効である。この場合、ガイド手段５０の開閉駆動手段は、位置修正手段４０の開閉駆動手段を兼用することができる。

また、上記の理由により、成形素材供給手段３０に本発明のガイド手段５０を設けることも有効である。この場合、ガイド手段５０の開閉駆動手段は、成形素材供給手段３０の開閉駆動手段を兼用することができる。成形素材供給手段３０にガイド手段５０を設ける場合は、例えば、図７に示すように、成形素材供給手段３０の浮上皿３２に内方に突出する凸部を形成し、これをガイド手段５０をすることができる。このものでは、成形素材供給手段３０を段階的に開くことにより、ガラス素材の落下、静止及び再落下が行われる。

［成形素材］
本発明に用いる成形素材はガラス素材であることができ、所望の性質を有する光学ガラスを平板状、柱状、球状、平凸形状、平凹形状、又は両凸形状などの形状に加工したものとすることができるが、特に、両面（平面上に配置したときの上下面）形状が非対称であるものに本発明は好適である。なお、上下面形状が対称なもの（例えば球形状）の場合でも、本発明は適用でき、後述するような効果を得ることができる。本発明の効果が極めて顕著なのは、上下面が非対称な両凸曲面形状であって、以下、これを例として説明する。

ガラス素材は、溶融ガラスを受け型状に滴下、又は流下することによって得ることができる。
例えば、所定の曲率半径を有する凹面の受け型を用意し、受け型の底部から浮上用ガスを噴出させた状態で、溶融ガラスを滴下又は流下し、これを浮上保持しながらガラス塊を成形することができる。これによって、受け型とほぼ非接触の状態でガラス素材を成形することができ、表面欠陥のない良質なガラス素材が得られる。

ガラス素材の形状は、得ようとする光学素子の形状、すなわちプレス成形に用いる上型、下型の成形面形状をもとに決定することができる。つまり、成形型内にガラス素材を配置し、上下型を接近させたときに、上下型のいずれかとガラス素材の間に閉空間が生じないものとすることが好ましい。特に、本発明の効果が顕著であるのは、ガラス素材と上下型形状に、次の関係がある場合である。

予備成形された成形素材は、成形型内に配置し、かつ上下型を接近させて、上下型の成形面が成形素材に接触する位置としたとき、上下型の成形面と成形素材との間には閉空間が生じないが、成形素材を上下反転させて配置した場合には、上下型の成形面のいずれかと成形素材との間に閉空間が生じる形状。

このようなガラス素材を用いてプレス成形する場合には、予め、ガラス素材の上下姿勢を管理し、プレスに供する段階でトレーに配置したとしても、個々のガラス素材を下型上に供給する段階で、ガラス素材の上下反転が起きると、プレス時にガス溜りが生じ、不良レンズとなる。このような、上下型形状と成形素材の関係は、得ようとするレンズが、両凸レンズ、両凹レンズ、凹メニスカスレンズ、凸メニスカスレンズ、さらには、異形レンズなどすべての場合に適用できる。

例えば、得ようとする光学素子が両凸レンズであって、第１面、第２面の曲率半径（又は近軸曲率半径）をそれぞれ、ＲＬ１、ＲＬ２とし、これらに対応するガラス素材の両凸曲面の曲率半径（又は、得ようとする光学素子の光軸に対応する部分を軸としたときの近軸曲率半径）をそれぞれＲ１、Ｒ２としたとき、
ＲＬ１≧Ｒ１
ＲＬ２≧Ｒ２
かつ、ＲＬ１＜Ｒ２、又は、ＲＬ２＜Ｒ１
である場合が挙げられる。

なお、上記のような両凸レンズの場合に、例えば、ガラス素材の両凸曲面のＲ１、Ｒ２を極力小さくすれば、ガス溜りの発生確率は低減する。しかしながら、ガラス素材の熱間成形時には、溶融ガラスを滴下／流下した後のガラス塊の曲率は、容易には制御できない。特に、受け型の形状の制約を受けない上面側の自由表面は、重力と粘性の関係により、曲率半径などの形状の制御が難しい。したがって、成形しようとする光学素子の形状に適合する範囲で、Ｒ１、Ｒ２が大きくできることは、ガラス素材成形上の自由度が広くなり、量産上のメリットは大きい。

また、得ようとする光学素子が両凹レンズであって、レンズの第１面、第２面の曲率半径（又は近軸曲率半径）を、ＲＬ３、ＲＬ４とし、対応するガラス素材が両凹面である場合（平面の場合の曲率半径は∞とする）の曲率（又は、得ようとする光学素子の光軸に対応する部分を軸としたときの近軸曲率半径）をＲ３、Ｒ４とするとき、
ＲＬ３≦Ｒ３
ＲＬ４≦Ｒ４
かつ、ＲＬ３＞Ｒ４、又は、ＲＬ４＞Ｒ３
であるような場合が挙られる。

さらに、得ようとする光学素子が凸メニスカスレンズ、又は凹メニスカスレンズといったメニスカスレンズの場合、レンズの凹面側を第１面、凹面側を第２面とし、それぞれの曲率半径をＲＬ５、ＲＬ６とし、これらに対応するガラス素材の両曲面（平面であってもよく、この場合の曲率半径は∞とする）の曲率半径（又は、得ようとする光学素子の光軸に対応する部分を軸としたときの近軸曲率半径）をＲ５、Ｒ６とするとき、
Ｒ５面が凹面又は平面（曲率＝∞）、Ｒ６面が凸面であって、ＲＬ５≦Ｒ５、かつ、ＲＬ６≧Ｒ６
である場合、
Ｒ５面、Ｒ６面が凸面であって、ＲＬ６≧Ｒ６、かつ、ＲＬ６＜Ｒ５
である場合などが挙られる。

また、得ようとする光学素子が両凹レンズであって、レンズの第１面、第２面の曲率半径（又は近軸曲率半径）をＲＬ７、ＲＬ８とし、これらに対応するガラス素材の両曲面（平面の場合は曲率半径＝∞）の曲率半径をＲ７、Ｒ８とするとき、
Ｒ７面が凹面、Ｒ８面が凸面又は平面であって、ＲＬ７≦Ｒ７＜ＲＬ８
である場合が挙られる。

たとえ、ガラス素材の上下面の形状が対称であったとしても、本発明の意義はある。すなわち、ガラス素材は、成形型に供給されるときに予熱しておくことができるが、予熱による温度分布に偏りが出ることがある。予熱後のガラス素材が、一定の向き（上下方向において）でプレス成形されれば、プレス条件はすべて均等となるが、予熱後に反転したものが混入していると、プレス成形の温度条件にばらつきが生じ、成形後のレンズ性能が一定に管理できない。したがって、本発明によって、ガラス素材の姿勢を制御することが有益なのである。

［光学素子の製造方法］
上記のように予備成形されたガラス素材は、浮上治具（成形素材供給手段）などにより下型の上方に移送して落下させることにより、成形型に供給することができる。
下型上に落下させるときのガラス素材の温度は、粘度が１０^９ポアズ以下となる温度であることが好ましい。より好ましくは、１０^５．５〜１０^９．０ポアズの範囲である。一方、上下型からなる成形型温度は、ガラス素材の粘度で１０^８ポアズ以上となる温度範囲が好ましい。ガラス素材落下時の温度は、成形型温度と等しくてもよく、ガラス素材を成形型内に供給した後にさらに加熱を行っても良いが、より好ましくは、成形型よりも高温のガラス素材を成形型に供給し、ただちにプレス成形を開始する。成形型温度は、より好ましくは、１０^９〜１０^１２ポアズの範囲である。このような温度範囲を選択することにより、短いサイクルタイムでの成形が可能であり、かつ光学素子の十分な面精度を確保することができる。上下型の温度は同一でもよく、差を設けても良い。プレス成形するレンズ形状や、素材に応じて決定することができる。

ガラス素材は、プレス成形に先立ち、成形型の外で、公知の加熱装置によって所望の温度となるように加熱する。好ましくは、ガラス素材を、不活性ガスによって浮上させた状態で加熱炉に所定時間配置し、加熱することが好ましい。その後、浮上治具に配置したまま下型上に移送し、浮上治具を分割することによって、ガラス素材を落下させ、下型上に供給することができる。

本発明は、下型の成形面上にガラス素材を上方から落下することにより供給し、落下によってガラス素材の姿勢が反転しないように、その落下経路でガラス素材の姿勢制御を行う。すなわち、下型上に落下したガラス素材の姿勢が、落下前の姿勢と同じになるようにする。好ましくは、落下するガラス素材を、落下途中で少なくとも一度静止させる。これによって、落下中にガラス素材に不定方向の回転が生じても、静止時に落下前と同じ姿勢に修正することができる。そして、静止後、成形素材は再落下される。

下型上に落下供給されたガラス素材は、上型と下型の接近によりプレスされ、所望の光学素子形状に成形される。プレス成形開始後の任意の時点で、冷却を開始し、ガラス粘度で１０^１２ポアズ以下となったときに、上下型を離間し、離型する。好ましくは、離型温度は、１０^１３〜１０^１４ポアズの粘度であるときである。

つぎに、本発明の実施形態について、実施例を用いて具体的に説明する。なお、以下に示すものは本発明の単なる実施例に過ぎず、本発明の技術的範囲を何ら限定するものではない。

［実施例］
図１〜図４に示したモールドプレス成形装置を用い、図８及び図９に示す手順で光学素子の成形を行った。具体的には、バリウムホウケイ酸ガラス（転移点５１４℃、屈伏点５４５℃）をプレス成形して外径２５ｍｍの両凸形状の両球面形状レンズを成形した。下型面の曲率半径は２０ｍｍ、上型面の曲率半径は４０ｍｍとした。

一方、４個の両凸曲面形状ガラス素材（外径は１９ｍｍ、上面側曲率半径は約３０ｍｍ、下面側曲率半径は約１５ｍｍ）を、溶融状態から受け型に滴下することにより熱間成形して用意した。いったん固化した上記ガラス素材を、開閉可能な支持アーム３１上の浮上皿３２上に供給配置し、各浮上皿３２の下方から噴出する気流により浮上させた状態で、加熱炉（図示せず）中に移送し、加熱した。このとき、ガラス素材の上面側（上型成形面によってプレスする方）が上部となるように浮上させて加熱軟化した。このとき、下母型、支持アーム３１、ガイドアーム４１を原点位置へ移動している（Ｓ１００）。

成形素材を所定温度（ガラス粘度にして、１０^７ポアズ相当）に加熱した後、支持アーム３１を上下母型の間に挿入し、４個のガラス素材が４個の下型２０のそれぞれの上部に位置するように配置した（図８のＳ１０２）。それとほぼ同時に、ガイドアーム４１を、支持アーム３１の下方約２ｍｍとなるように、支持アーム３１と下型２０間に介挿した（図８のＳ１０１）。下型２０をガイドアーム４１の下方まで上昇させた後（図８のＳ１０３、図９の（Ａ））、ガイドアーム４１が閉じている状態において、支持アーム３１を素早く開くことにより、複数の浮上皿３２を左右に分割し、複数のガラス素材を浮上皿３２から落下させた（図８のＳ１０４、図９の（Ｂ））。各ガラス素材は、ガイドアーム４１のガイド部材４２に設けられたガイド手段５０に接触し、ここで一旦静止した。

その後（１秒遅れて）、浮上ガスの噴出を停止し（図８のＳ１０５）、ガイドアーム４１を４ｍｍ開くことにより、複数のガイド部材４２の突き合わせ面間隔を４ｍｍ広げた（図８のＳ１０６、図９の（Ｃ））。この動作により、ガラス素材は下型２０上に供給された（図９の（Ｄ））。つぎに（直ちに）、ガイドアーム４１を閉じることにより、下型２０上に供給されたガラス素材の位置修正が行われた（図８のＳ１０７、図９の（Ｅ））。その後、直ちに支持アーム３１及びガイドアーム４１を下型２０上から後退させ（図８のＳ１０８〜Ｓ１１３）、その後、下母型を上昇させてプレスを行った（図８のＳ１１４）。転移点以下まで冷却して、離型し、成形されたガラスレンズを取出した。

上記操作を各々の型について１８２回繰返し行った。すなわち、計７２８個の加工を行った。その結果、ガラス素材が、下型２０に供給される際に、ガラス素材の上面が下方になるように供給されることは皆無であり、また、その結果、ガラス光学レンズにガス溜まりが発生することも皆無であった。計７２８個の加工を通じてガス溜まり発生による不良率は０%であった。

なお、ガイドアーム４１の開閉は二段階とし、閉状態のときにガラス素材をガイド手段５０で支持するとともに、開状態のときにガラス素材の落下経路を開放し、さらに、閉状態としたとき、下型２０の水平中心位置にガラス素材を位置修正した。このため、開、閉、各状態のときのガイド部材４２の各部分の内径を適切に選択することが好ましい。さらに、ガイドアーム４１の開閉を多段階とすることも可能であり、その場合には、位置修正面とガイド手段５０の内径を同一としてもよい。また、ガイド部材４２は、介挿前に１０^７〜１０^９ポアズ相当の温度に予熱しておくことが好ましい。

［比較例］
上記実施例と同様の装置を用い、同形状のガラスレンズを成形した。また、用いたガラス素材も、同じものを適用した。ただし、ガイド部材としては、図４に示すもののかわりに、図１０示すようなガイド手段５０の無いガイド部材６０を用い、図１１に示す手順で成形を行った。すなわち、ガイドアーム４１を、支持アーム３１の下方約２ｍｍとなるように、支持アーム３１と下型２０間に介挿した（図１１の（Ａ））。その後、ガイドアーム４１が開いている状態において、支持アーム３１を素早く開くことにより（図１１の（Ｂ））、複数の浮上皿３２を左右に分割し、複数のガラス素材を浮上皿３２からそれぞれに対応する下型２０上に供給した（図１１の（Ｃ））。つぎに、ガイドアーム４１を閉じることで、下型２０上に供給されたガラス素材の位置修正を行った（図１１の（Ｄ））。その後、直ちに支持アーム３１及びガイドアーム４１を下型２０上から後退させ、その後、下型２０を上昇させてプレスを行った。

上記操作を各々の型について１５４回繰返し行った。すなわち、計６１６個の加工を行った。その結果、ガラス素材が、下型２０に供給される際に、ガラス素材の上面が下方になるように供給されることは３３６個発生し、その結果、ガラス光学レンズにガス溜まりが発生することも３３６個発生した。計６１６個の加工を通じてガス溜まり発生による不良率は５４．５%であった。

本発明は、得ようとする光学素子の形状にもとづいて精密加工された成形型を用い、ガラス素材などの成形素材をプレス成形する精密モールドプレス成形技術に適用される。特に、上下面の形状が異なる成形素材を下型上に落下供給する際に有効なものであって、成形素材を、上下面が常に一定の配置となるよう安定的に供給することにより、プレス条件を一定にするとともに、成形品にガス溜りが生じる不都合を防止し、面精度の高い光学素子を歩留まり良く生産することができる。

本発明の実施形態に係るモールドプレス成形装置の要部断面図である。 下型の平面図である。 （Ａ）は、成形素材供給手段の平面図、（Ｂ）は、位置修正手段の平面図である。 （Ａ）は、位置修正手段に設けられるガイド部材の平面図、（Ｂ）は、ガイド部材のＸ−Ｘ断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、ガイド手段の他例を示す要部断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、ガイド手段の他例を示す要部断面図である。 ガイド手段の他例を示す要部断面図である。 本発明のモールドプレス成形装置によるプレス成型時の動作手順を示すフローチャートである。 （Ａ）〜（Ｅ）は、本発明のモールドプレス成形装置によるプレス成型時の動作手順を示す説明図である。 （Ａ）は、比較例で用いたガイド部材の平面図、（Ｂ）は、ガイド部材のＸ−Ｘ断面図である。 比較例の動作手順を示す説明図である。 ガス溜りの発生原理を示す説明図である。

符号の説明

１０ 上型
１１ 成形面
２０ 下型
２１ 成形面
２２ 下母型
３０ 成形素材供給手段
３１ 支持アーム
３１ａ ガス孔
３２ 浮上皿
４０ 位置修正手段
４１ ガイドアーム
４１ａ ガス孔
４２ ガイド部材
５０ ガイド手段
６０ ガイド部材
Ｃ 誘導加熱コイル

Claims (11)

1. 互いに対向する成形面を有した上型と下型によって、成形素材をプレス成形するモールドプレス成形装置において、
   前記下型上に前記成形素材を落下供給する成形素材供給手段と、
   前記成形素材が前記下型上に落下供給されるとき、その落下経路で前記成形素材の姿勢を制御するガイド手段と
   を備え、
   前記ガイド手段が、前記落下経路で開閉動作する複数の部材からなり、前記落下経路において、少なくとも一度、閉状態で前記成形素材を静止させ、その後の開動作によって前記成形素材を再落下させることを特徴とするモールドプレス成形装置。
2. 前記ガイド手段が、前記下型上に落下した前記成形素材の位置を修正する位置修正手段に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のモールドプレス成形装置。
3. 前記ガイド手段が、前記成形素材を前記下型上に落下供給する前記供給手段に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のモールドプレス成形装置。
4. 互いに対向する成形面を有した上型と下型を用い、加熱により軟化した状態の成形素材を連続的にプレス成形して得られる光学素子の製造方法において、
   前記下型上に前記成形素材を落下供給するにあたり、前記下型上に落下した前記成形素材の姿勢が一定となるように、前記成形素材の落下経路で開閉動作する複数の部材からなるガイド手段により、前記落下経路において、少なくとも一度、前記ガイド手段が閉状態で前記成形素材を静止させ、その後の開動作によって前記成形素材を再落下させることにより、前記成形素材の姿勢制御を行うことを特徴とする光学素子の製造方法。
5. 前記姿勢制御が、落下供給後における前記成形素材の姿勢を、落下供給前における前記成形素材の姿勢と一致させるように行われることを特徴とする請求項４記載の光学素子の製造方法。
6. 前記下型上に前記成形素材を落下供給した後に、前記成形素材の外周に接触する位置修正手段により、前記下型上における前記成形素材の位置を修正することを特徴とする請求項４又は５記載の光学素子の製造方法。
7. 前記成形素材が、１０^９ポアズ未満の粘度に相当する温度に加熱された状態で、前記下型上に落下供給されることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
8. 前記成形素材が、溶融ガラスを受け型に滴下又は流下して予備成形されたガラス素材であることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
9. 前記成形素材が、所定の姿勢で前記下型上に供給された場合には、プレス成型時において前記成形面との間に閉空間を生じさせず、上下反転姿勢で前記下型上に供給された場合には、プレス成型時において前記成形面との間に閉空間を生じさせる形状であることを特徴とする請求項４〜８のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
10. 前記成形素材が、両凸曲面形状に予備成形されたものであり、かつ、その両凸曲面が、相互に曲率の異なる曲面であることを特徴とする請求項４〜９のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
11. 得ようとする光学素子が、第１面、第２面の曲率半径をそれぞれＲＬ１、ＲＬ２とする両凸レンズであり、これらに対応するガラス素材の両凸曲面の曲率半径をそれぞれＲ１、Ｒ２としたとき、
    ＲＬ１≧Ｒ１
    ＲＬ２≧Ｒ２
    かつ、ＲＬ１＜Ｒ２、又は、ＲＬ２＜Ｒ１
    を満たすことを特徴とする請求項４〜１０のいずれかに記載の光学素子の製造方法。

Images