JP2001058837A

JP2001058837A - 光学素子成形方法及び光学素子成形装置

Info

Publication number: JP2001058837A
Application number: JP11231802A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Shimizu; 義之清水; Tomoaki Shimazaki; 智章嶋崎; Kenji Inoue; 健二井上; Shoji Nakamura; 正二中村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-08-18
Filing date: 1999-08-18
Publication date: 2001-03-06
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: JP3675679B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高精度で安定して光学素子を製造することが
できる光学素子成形装置および光学素子成形方法を提供
する。【解決手段】予熱ステージ１５での光学素子材料１０
の粘性、変形量に応じて、プレスステージ１６での圧
力、温度、待機時間などを制御する。また、予熱ステー
ジ１５での変形量を一定にし、プレスステージ１６での
押し切り時間の安定を図る。それにより、金型の酸化や
光学素子材料１０のばらつきによる押し切り時間のばら
つきを低減でき、安定な光学性能を得ることができる。
また、余分な熱量や、圧力を加える必要がなく環境に優
しい成形装置にできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学機器等に用い
られる光学素子を高精度にプレス成形する光学素子成形
装置と光学素子成形方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学素子を高精度且つ安価に製造
する製造方法として、特開昭６２−２９２６３６のよう
なプレス成形法が実用化されている。前記製造方法は、
光学素子の光学機能面が超精密加工で形成された形状を
有する一対の押圧型の間に光学素子材料を配置し、それ
をブロックとし、光学素子材料が変形可能な温度まで加
熱する予備加熱（以降予熱と称する）ステージ、加圧変
形させ金型の光学有効面を転写するプレスステージ、転
写を保ちながらガラス転移点以下まで冷却させる冷却ス
テージへと順次搬送し、光学素子を成形する方法であ
る。

【０００３】各ステージでは個別に温度調整、圧力調整
の設定が可能であり、一対の押圧型間の温度分布も設定
可能になっている。また、各ステージへのブロック搬送
は一定時間で行われ、複数個の金型を用い、成形可能に
なっている。

【０００４】具体的には、中心に摺動用の穴を開けた胴
型を一方の押圧型に挿入し、前記押圧型の成形面上に光
学素子材料を配置し他方の押圧型を挿入する。そしてこ
れを光学素子材料が変形可能な温度にまで加熱し、成形
機のプレスヘッドが摺動する側の押圧型または他方の押
圧型に圧力を加え胴型内で摺動させ、一対の押圧型に設
けられたツバの部分に胴型端面が接触して摺動を停止す
ることで光学素子の形状を決定する。或いは、前記摺動
の停止は、別部材のストッパーにより停止することも提
案されている。また、一対の押圧型と胴型で構成された
キャビティに光学素子素材が充填されることでも押圧型
の摺動停止は可能である。

【０００５】その後、冷却し押圧型を開放し光学素子を
取り出すことで、光学素子材料に一対の押圧型に設けら
れた成形面形状が転写された光学素子が製造される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記光学素子のプレス
成形においては、主に一対の押圧型の成形面の精度が光
学素子の精度を決定するが、型の酸化や光学素子材料の
重量、組成ばらつき、また、金型キャビティの加工ばら
つきなどにより、光学有効面を転写するのに必要な圧力
が異なってくる。また、大抵の場合はそのばらつきを吸
収できるように温度を高めに設定したり、圧力を大きく
設定することで転写を得ようとするが、金型組数が多く
なってくると、そのばらつきが、プレスステージに於け
る光学素子成形完了までの時間（押し切り時間）のばら
つきにつながり、ひいては光学性能のばらつきとなり生
産時の歩留まりに大きく影響する。

【０００７】また、不必要な圧力、温度により光学素子
に歪みが生じたり、ワレ、欠けなどが発生し不良な光学
素子が成形されやすくなる。さらに、ワレや欠けの生じ
た光学素子を取り出す際に光学素子素材の破片や固まり
が型内に残り、次回の成形時に光学素子有効面にキズを
つけたりする。また、自動機械による金型分解、光学素
子取り出し、光学素子素材供給、金型組立の一連の工程
中にトラブルが生じやすく、設備稼働率が堕ち、生産性
の面でも問題となる。

【０００８】本発明は上記課題を解決するためのもの
で、不良を少なくして光学素子を成形する光学素子成形
方法及び光学素子成形装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決する手段として、予熱ステージでの光学素子材料の粘
性に応じて、プレスステージでの圧力、温度、待機時間
などを制御する。

【００１０】具体的には、光学素子材料の粘性を短時間
に計測する事は極めて困難であることから、予熱ステー
ジで、一定温度、一定時間、一定圧力をかけたときの変
位量を計測し、その変位量に応じてプレスステージの圧
力または温度を制御する。また、その変位測定は、金型
ブロック毎にばらつきが生じないよう、予熱ステージの
加熱ヘッドが当接した時を零とし、一定時間経過後の変
位量を読み取ることにする。当接したタイミングは、変
位計の読み取り値を一定時間に比較し、その差が零の時
を判別する。このようにして計測された変位が大きいほ
ど、光学素子素材の粘度が小さく、プレスステージでの
加圧力は小さくでき、温度制御する際にも、低い温度で
成形可能である。また、前記プレスステージでの時間
（タクト）の制御も可能であるが、その場合、型ブロッ
クの送りタクトが一定とはならず、製造装置として多少
複雑になる。また、前記予熱ステージでの変位量が一定
の時にプレスステージへ搬送することでも同様の効果が
得られる。

【００１１】上記装置によりプレス時の光学素子素材の
状況に応じた圧力、温度もしくは時間が設定できる。あ
るいは、予熱ステージでの変位を一定にすることがで
き、プレスステージでの押し切り時間のばらつきを低減
できる。

【００１２】また、金型キャビティ内の充填率を安定さ
せることができ、割れや欠けを低減できる。ひいては、
金型を分解し、光学素子を取り出す工程での自動機のト
ラブルが少なく、装置稼働率が向上される。また、金型
寿命も延ばすことが可能となり、安価に製造することが
できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００１４】（実施の形態１）図１は、実施の形態１の
光学素子成形装置の概念を示す断面図である。下型１
１、上型１２、胴型１３で成型用の金型ブロック１４を
構成する。予熱ステージ１５、プレスステージ１６、冷
却ステージ１７を配置した成形装置に、前記ブロック１
４を順次搬送していく機構を設けている。各ステージで
の温度Ｔは、予熱温度Ｔ₁、プレス温度Ｔ₂、冷却温度Ｔ
₃と、また、各ステージでの圧力Ｐは、予熱圧力Ｐ₁、プ
レス圧力Ｐ₂、冷却圧力Ｐ₃と、それぞれ設定されている
ものとする。予熱ステージ１５には、変位センサー２０
が装備されており、演算処理機能付きシーケンサ２１が
制御装置として設けられている。

【００１５】本実施の形態では、下型１１、胴型１３、
上型１２に囲まれたキャビティ内に光学素子材料１０を
載置する。前記上下型１１，１２、胴型１３、光学素子
材料１０をブロック１４とし、ブロック１４を予熱ステ
ージ１５ａ、ｂの上で予備加熱を行う。具体的には、光
学素子材料１０にはホウ珪酸ガラス（ガラス転移点：Ｔ
ｇ５２０℃）φ３．５５ｍｍのボール研磨硝材を用い
た。Ｔ₁はガラス屈伏点５６０℃以上に設定し、予備加
熱を行う。前記予熱ステージ１５ａ、ｂでの荷重をＰ₁
（１０ｋｇｆ／ｍｍ²以下）に設定し、一定タクトｔ秒
で、プレスステージ１６ａ、ｂに搬送する。

【００１６】従来は、搬送されたブロック１４を上下の
プレスヘッドに内蔵のヒーター１８により型を設定温度
Ｔ₂で加熱しながら、上プレスヘッドから上型１２を圧
力Ｐ₂で加圧して光学素子材料１０を変形させて、光学
素子１９を成形することになる。このときの、押切時間
は金型あるいは、光学素子素材のばらつき等により１８
秒から３８秒と大きくばらつき、一部割れの発生する光
学素子もあった。成形された光学素子１９は成形ブロッ
ク１４ごと冷却ステージ１７に搬送され冷却されるが、
冷却ステージ１７では上型１２、下型１１に加工された
光学素子有効転写面を転写しながら固化するため、圧力
Ｐ₃で加圧しながら、温度Ｔ₃（ガラス転移点以下）まで
冷却する。光学素子がガラス転移点以下の温度に到達す
ると、プレス開放し、光学素子１９を取り出す。

【００１７】しかし、本実施の形態では、予熱ステージ
１５で、上型１２の端面に上プレスヘッドが当接したと
きの、変位センサー２０の読み込み値をＬ₀として、次
のプレスステージに搬送する直前の変位センサー２０の
読み込み値Ｌまでの変位差△Ｌに応じて、プレスステー
ジでの圧力Ｐ₂、もしくは、プレスステージでの温度Ｔ₂
を制御する。

【００１８】実際に前記光学素子材料を用い、光ディス
ク用対物レンズの成形を行う例として、予熱温度Ｔ₁を
５９０℃、予熱圧力Ｐ₁を８ｋｇｆ／ｍｍ²に設定し、前
記成形ブロック１４を予熱ステージ１５に載置し、９０
秒間予備加熱する。ボール硝材直径φ３．５５ｍｍにた
いし、最終レンズの中心厚みが１．８ｍｍであるため、
その成形完了までの変形量は１．７５ｍｍとなる。予熱
ステージ１５のプレスヘッド１５ａが上型１２に当接し
た瞬間に変位センサー２０から得られる情報と、成形機
のプレス開始の信号、タクトアップの信号から図２のよ
うなアルゴリズムで割り出す。まず、プレス開始の信号
とともに、プレスヘッドの位置をセンサー２０から読み
込みｘ₀とする。次に、設定されたセンシングタイムｔ₀
後に再びセンサー２０からプレスヘッド位置を読み込み
ｘ₁とする。装備された演算処理機能付きシーケンサ２
１によりｘ＝ｘ₁−ｘ₀の処理を行い、ｘの値が０である
か否かを判別する。さらに、ｘが０でない場合、ｘ₀＝
ｘ₁と置き直し、さらにセンシングタイムｔ₀後のプレス
ヘッド位置をセンサー２０から読み込みｘ₁とする。再
び、演算処理ｘ＝ｘ₁−ｘ₀により、ｘ＝０になるまで作
業を続ける。そして、ｘ＝０になった時、プレスヘッド
１５ａは、上型１２に当接したとみなし、センサー２０
の位置を０にリセットする。最後に、予熱完了時のタク
トアップ信号が成形機側から出されたときのセンサー２
０で読み取られるプレスヘッドの位置データＬ₁を変形
量△Ｌとし、次のプレスステージでの加圧力Ｐ₂を制御
する。制御方法は、今、プレス温度Ｔ₂を一定の５８０
℃と設定した場合、全体変形量１．７５ｍｍにたいし、
△Ｌが０．５０ｍｍまではプレス圧力７０ｋｇｆ／ｍｍ
²を加え成形するが、残り１．２５ｍｍにたいしては、
Ｐ₂＝｛８０−（係数ａ×△Ｌ）｝ｋｇｆ／ｍｍ²の演算
にて制御する。係数ａは△Ｌが１．２５ｍｍのときＰ₂
＝５０ｋｇｆ／ｍｍ²になるようａ＝２４と設定する。
実際に、９０秒後の変位量△Ｌのばらつきは、ｎ＝５０
で、０．７４３ｍｍ〜１．０９１ｍｍであり、変形量△
Ｌに応じてプレス圧力Ｐ₂は約６２〜５４ｋｇｆ／ｍｍ²
に制御された。そのときの押し切り時間（プレス完了ま
での時間）は２７秒から３２秒であり、成形されたレン
ズの充填率も９５％前後で、割れもなく、非常に安定し
ていた。その後、タクトアップ９０秒までＰ₂の圧力で
押さえ、冷却ステージに搬送し、従来と同様にＴｇ点以
下の温度まで冷却する。ここでは、Ｔ₃を５１０℃に設
定し、Ｐ₃を６０ｋｇｆ／ｍｍ²に設定し、９０秒間冷却
した。最終、成形機より取り出し、金型を分解、光学素
子１９を取り出し成形を完了する。

【００１９】このようにして成形された光学素子は良好
な性能を得ることができた。

【００２０】本実施の形態では、予熱ステージでの変位
量△Ｌに対して、プレス圧力Ｐ₂を制御したが、プレス
温度Ｔ₂を制御してもかまわない。また、搬送タクトｔ
を一定にしたのは、複数個の光学素子を複数個の金型を
用い成形するためであって、単体の金型を用いる場合、
プレスステージでのタクトを短く制御してもかまわな
い。また、予熱、冷却ステージの９０秒を２分割し、各
ステージを２つ設けてもいっこうにかまわない。その
際、成形タクトは４５秒で、生産性はきわめて向上す
る。

【００２１】（実施の形態２）次に本発明の実施の形態
２について説明する。

【００２２】図３は、実施の形態２の光学素子成形装置
の概念を示す断面図である。下型１１、上型１２、胴型
１３で成型用の金型ブロック１４を構成する。ここまで
は実施の形態１と同じであるが、以降、予熱ステージ１
５、冷却ステージ１７を３分割し、予熱１ステージ２
２、予熱２ステージ２３、予熱３ステージ２４、プレス
ステージ２５、冷却１ステージ２６、冷却２ステージ２
７、冷却３ステージ２８を配置した。また、成形装置に
は前記ブロック１４を順次搬送していく機構を設けてい
る。各ステージでの温度Ｔ、圧力Ｐは、予熱１から冷却
３まで順次温度Ｔ ₁₁〜Ｔ₁₇、圧力Ｐ₁₁〜Ｐ₁₇と設定され
ているものとする。予熱３ステージ２４には、変位セン
サー２０が装備されており、演算処理機能付きシーケン
サ２１が制御装置として設けられている。

【００２３】本実施の形態では、下型１１、胴型１３、
上型１２に囲まれたキャビティ内に光学素子材料１０を
載置し、前記上下型１１，１２、胴型１３、光学素子材
料１０をブロック１４として、予熱１ステージ２２から
冷却３ステージ２８まで一定タクトｔで搬送される。ま
ず、ブロック１４は予熱１ステージ２２から予熱３ステ
ージ２４までで予備加熱される。

【００２４】具体的には、光学素子材料１０にはフツ隣
酸系ガラス（ガラス転移点：Ｔｇ３４０℃、ガラス屈伏
点：Ａｔ４１０℃）φ２．７２ｍｍのボール研磨硝材を
用い、Ｔ₁₁を４００℃、Ｔ₁₂を４２０℃、Ｔ₁₃を４２０
℃に設定し、予備加熱を行う。前記予熱１、２ステージ
２２、２３での荷重Ｐ₁₁、Ｐ₁₂を２ｋｇｆ／ｍｍ²以下に
設定し、光学素子素材１０の変形がほとんどない状態
で、予熱３ステージ２４へ搬送する。タクトは３０秒
で、予熱３ステージ２４に搬送し、Ｐ₁₃を７ｋｇｆ／ｍ
ｍ²〜１０ｋｇｆ／ｍｍ²に設定し、ガラスの変形が静か
に行われる。予熱３ステージ２４で、上型１２の端面に
上プレスヘッド２４ａが当接したときの、変位センサー
２０の読み込み値をＬ₀として、随時、予熱３ステージ
２４の変位センサー２０の読み込み値△Ｌ＝Ｌ−Ｌ₀を
初期設定値△Ｌ₀と比較しながら、予熱３ステージ２４
での圧力Ｐ₁₃を制御、もしくは、予熱３ステージ２４で
の加圧を停止するようにする。初期のボール硝材直径φ
２．７２ｍｍにたいし、最終レンズの中心厚みが１．５
ｍｍであるため、その成形完了までの全体の変形量△Ｌ
は１．２５ｍｍとなる。本実施例では、前記変形量△Ｌ
が０．８ｍｍまでは予熱３圧力Ｐ₁₃を７ｋｇｆ／ｍｍ²
で加え、△Ｌが０．８ｍｍを越えた時点で２ｋｇｆ／ｍ
ｍ²以下に制御する。結果的にプレスステージ２５での
変形量は約０．４５ｍｍと一定にでき、良好な転写面を
得ることができた。また、プレスステージ２５でのプレ
ス圧力Ｐ₁₄も予熱３ステージ２４に装備された変位セン
サー２０と同様のものを載置する事で、制御可能とな
り、さらに安定した押し切りが可能で、光学素子１９が
成形され、光学的性能も非常に安定する。

【００２５】最後に、冷却１、冷却２ステージ２６、２
７でＴｇ点以下に冷却した後、上型１２を胴型１３から
抜き取り分解し、光学素子１９を取り出す。なお、成形
機チャンバー内はＮ₂還元雰囲気に置換されており、金
型の酸化を防止し、および光学素子素材と金型転写面と
の密着性を低下させている。

【００２６】このようにして成形された光学素子は良好
な性能を得ることができた。

【００２７】本実施の形態では、予熱３ステージでの変
位量△Ｌに対して、予熱ステージ圧力Ｐ₁₃を制御した
が、予熱３温度Ｔ₁₂を制御してもかまわない。また、搬
送タクトｔを一定にしたが、予熱３ステージ２４での変
形が完了すると同時にプレスステージ２５に搬送しても
同じ結果が得られる。但し、金型を複数個利用できなく
なるので、生産性が落ちる。

【００２８】

【発明の効果】上記光学素子成形装置や光学素子成形方
法によりプレス時の光学素子素材の微妙な成分ばらつき
や金型の酸化状況に応じた最適な圧力、温度もしくは時
間が設定できる。あるいは、予熱ステージでの変位を一
定にすることができ、プレスステージでの押し切り時間
のばらつきを低減できる。ひいては、製造管理がしやす
く、他品種少量生産にも即座に対応可能であり、機種切
り替えも容易になる。

【００２９】また、金型キャビティ内の充填率を安定さ
せることができ、割れや欠けを低減できる。ひいては、
金型を分解し、光学素子を取り出す工程での自動機のト
ラブルが少なく、装置稼働率が向上される。また、割れ
や欠けによる光学素子材料の残骸が金型内に残る可能性
が低く、残骸による型傷の発生が少なく、金型寿命も延
ばすことが可能となり、安価に製造することができる。
また、不必要な熱や圧力を加える必要がなく環境にも優
しい成形装置にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における光学素子成形装
置の概念断面を示す図

【図２】本発明の実施の形態１、２における変位量読み
とりのフローチャート図

【図３】本発明の実施の形態２における光学素子成形装
置の概念断面を示す図

【符号の説明】

１０光学素子素材１１下型１２上型１３胴型１４成形ブロック（金型ブロック）１５予熱ステージ１６プレスステージ１７冷却ステージ１８ヒーター１９成形された光学素子２０変位センサー２１演算処理機能付きシーケンサ２２予熱１ステージ２３予熱２ステージ２４予熱３ステージ２５プレスステージ２６冷却１ステージ２７冷却２ステージ２８冷却３ステージ（水冷）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上健二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者中村正二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】胴型と前記胴型内で摺動する一対の押圧
型を有する光学素子成形用型を１つのブロックとし、前
記ブロックを予備加熱ステージ、プレスステージ、冷却
ステージの各ステージに搬送し、光学素子を成形する光
学素子成形方法において、予備加熱時のガラスの粘度、
もしくは変形量に応じて、前記プレスステージでの、圧
力またはプレス時間またはプレス温度の少なくとも１つ
を制御することを特徴とする光学素子成形方法。
【請求項２】前記予備加熱時のガラス変形量は、前記
ブロックが前記予備加熱ステージに移載され、予備加熱
ヒーターが当接した時を０としてスタートし、移載のタ
クトアップした時の変形量を読み取ることを特徴とする
請求項１記載の光学素子成形方法。
【請求項３】前記プレスステージの圧力は、前記予備
加熱時のガラス変形量Ｌにたいして、反比例に制御する
ことを特徴とする請求項１記載の光学素子成形方法。
【請求項４】前記プレスステージの圧力は、前記予備
加熱時のガラス変形量Ｌにたいして、初期値から第１の
設定値までは一定圧力とし、前記第１設定値から最終変
位量までを反比例に制御することを特徴とする請求項１
記載の光学素子成形方法。
【請求項５】胴型と前記胴型内で摺動する一対の押圧
型を有する光学素子成形用型を１つのブロックとし、前
記ブロックを予備加熱ステージ、プレスステージ、冷却
ステージの各ステージに搬送し、光学素子を成形する光
学素子成形方法において、予備加熱時のガラスの粘度、
もしくは変形量に応じて、予備加熱圧力または予備加熱
温度または前記プレスステージへの搬送までの時間の少
なくとも１つを制御することを特徴とする光学素子成形
方法。
【請求項６】前記予備加熱ステージの圧力は、前記予
備加熱時のガラス変形量Ｌにたいして、反比例に制御す
ることを特徴とする請求項５記載の光学素子成形方法。
【請求項７】前記予備加熱ステージの圧力は、前記予
備加熱時のガラス変形量Ｌにたいして、初期値から第１
の設定値までは一定圧力とし、前記第１設定値から最終
変位量までを反比例に制御することを特徴とする請求項
５記載の光学素子成形方法。
【請求項８】前記予備加熱ステージの圧力は、前記予
備加熱時のガラス変形量Ｌにたいして、初期値から第１
の設定値までは一定圧力とし、前記第１設定値に達した
時点で、加圧０に制御することを特徴とする請求項５記
載の光学素子成形方法。
【請求項９】胴型と前記胴型内で摺動する一対の押圧
型を有する光学素子成形用型を１つのブロックとし、前
記ブロックを予備加熱ステージ、プレスステージ、冷却
ステージの各ステージに搬送し、光学素子を成形する光
学素子成形方法において、各ステージにおけるガラスの
粘度、もしくは変形量に応じて、次工程のステージの圧
力または温度の少なくとも１つを制御することを特徴と
する光学素子成形方法。
【請求項１０】胴型と前記胴型内で摺動する一対の押
圧型を有する光学素子成形用型を１つのブロックとし、
前記ブロックを予備加熱ステージ、プレスステージ、冷
却ステージの各ステージに搬送し、光学素子を成形する
光学素子成形装置において、予備加熱時のガラスの粘
度、もしくは変形量に応じて、前記プレスステージで
の、圧力またはプレス時間またはプレス温度の少なくと
も１つを制御できることを特徴とする光学素子成形装
置。
【請求項１１】前記予備加熱時の前記ガラスの変形量
は、変位センサーにより読み込まれ、その読み込み値を
比較演算処理しながら、圧力または温度を制御できる装
置を具備することを特徴とする請求項１０記載の光学素
子成形装置。
【請求項１２】胴型と前記胴型内で摺動する一対の押
圧型を有する光学素子成形用型を１つのブロックとし、
前記ブロックを予備加熱ステージ、プレスステージ、冷
却ステージの各ステージに搬送し、光学素子を成形する
光学素子成形装置において、予備加熱時のガラスの粘
度、もしくは変形量に応じて、予備加熱圧力または温度
または前記プレスステージへの搬送までの時間の少なく
とも１つを制御できることを特徴とする光学素子成形装
置。
【請求項１３】前記予備加熱時の前記ガラスの変形量
は、変位センサーにより読み込まれ、その読み込み値を
比較演算処理しながら、圧力または温度を制御できる装
置を具備することを特徴とする請求項１２記載の光学素
子成形装置。