JP2002284535A - 光学素子の成形金型および光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガラスは軟化温度域において通常の約10倍の
膨張・収縮率を示す。ガラスレンズ成形の冷却過程にお
いて、軟化状態から固化状態に向かう過程で急激な収縮
が起こる。従来の金型構造では、胴型の冷却が、上，下
パンチ型の冷却より時間が遅れて始まる。このため上，
下パンチ型とこれに密着しているガラス成形レンズの熱
収縮が早く進行し、その僅かな時間差によって型離れが
発生し、良好なガラス成形レンズが得られない。 【解決手段】 パンチ型と胴型の冷却タイミングを揃え
るために、伝熱板を介して夫々パンチ型および胴型に同
時に熱が伝わるようにしたことで、冷却に転じた時も温
度降下に時間差が出ないようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金型内に成形レン
ズの材料であるガラス材料を収納し、金型と共に加熱す
ることで金型内のガラス材料を昇温軟化させた後プレス
成形を行い、金型に形成された光学形状面を精密に転写
させて光学素子を製造する工法に用いる、レンズ成形金
型に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】画像生成素子として液晶パネル素子やマ
イクロミラー素子を用いたビデオプロジェクターなどに
は、高性能な投写レンズが使用されている。近年パーソ
ナルコンピュータの普及と共に、その映像を拡大投写す
る装置としてこれらのプロジェクターが多用されるよう
になり、この製品分野の市場は急速に拡大しつつある。
それに伴い製品の小型軽量，高性能化も急速に進展して
おり、またコストダウンの要求も強まっている。したが
って投写レンズ単体の小型，高性能化とコストダウンも
一層求められている。

【０００３】上記したような製品に用いられる光学レン
ズを製造する一つの方法として以下述べるような工法が
存在する。レンズとなるガラス材料を、予め球形，偏平
円板形，平凸，凸凸，凸凹円板形などの形状で定量体積
（または重量）に加工を行ったレンズ材料２６を、図５
に示すように金型ユニット２１内に収納する。金型ユニ
ット２１は、下パンチ型２２，上パンチ型２３，内胴型
２４，外胴型２５の４点で構成されており、内胴型２４
およおび外胴型２５には、金型キャビティ空間内の空気
抜き孔２４ａおよび２５ａが複数個形成されている。

【０００４】以上複数の金型部材で形成される金型キャ
ビティ空間に、レンズ材料２６が収納されている。レン
ズ材料２６が収納された金型ユニット２１を加熱昇温
し、レンズ材料２６が適度に軟化した頃合いでプレスを
行い、金型に形成された光学面形状を、軟化したレンズ
材料２６に転写させ光学レンズの成形を行う。このよう
な成形法は、従来からガラスレンズを成形する工法とし
てよく用いられている。以下その内容を述べる。

【０００５】図５に示すように組み合わせた金型ユニッ
ト２１を、熱プレス成形機に載置する。図６は、熱プレ
ス成形機３１の概容を示したものである。図６に示すよ
うに下ヒータ板３２に金型ユニット２１を載置した後、
上ヒータ板３３を緩やかに降下させ金型ユニット２１を
軽く挟み込んで上下から加熱昇温を行う。金型ユニット
２１内のレンズ材料２６が所定の温度に達し、プレス成
形可能な状態に軟化したところで、適切な加圧スピード
と圧力でプレスを行い、金型形状を転写させガラスレン
ズを成形する。

【０００６】なお３４，３５は、ヒータ板の熱が周囲の
構造部材に伝熱するのを抑止する断熱板であり、３６，
３７は冷却工程でヒーター板の冷却を促進するための冷
却板であり液冷駆動されている。

【０００７】ガラスレンズを成形する場合は、金型およ
び金型内に収納されたガラス材料は、約６００℃に加熱
される。空気中でこの様な高温環境下で成形を行うと、
高温のため金型の酸化が急速に進み金型寿命が極端に短
くなる。また空気中の酸素と、高温に熱せられた金型表
面あるいはガラス材料表面が反応し酸化物が形成され、
プレス成形の際これらの酸化物が反応しあって強固に付
着し、成形後レンズを離型する時に、金型に成形レンズ
が強固に付着し剥がれないという現象が生じる。また無
理に引き剥がすとガラスレンズの付着部分が破断され金
型表面に残る。これを除去するには弗化アンモニウムな
どでガラスを溶かし金型鏡面を傷付けないように処理し
なければならない。このような事態が発生すると金型の
メンテナンスに時間を費やし生産性が著しく低下する。

【０００８】上記したような事態を極力避けるため、一
般的にガラスレンズを成形する場合は、酸素濃度を極め
て希薄にした、窒素やヘリウムなどのガス雰囲気中で成
形が行われる。そのため図６に示す熱プレス成形機３１
の成形室内には、窒素ガスなどを連続的に注入しオバー
フローさせながら窒素ガスで充たし空気を排除する。

【０００９】成形プレスの最終段階で、上パンチ型２３
のフランジ面２３ａが、外胴型２５の上端面２５ｂに当
接したところで、レンズ材料２６の変形は停止する。し
たがって外胴型２５の高さによって、成形レンズの厚み
寸法は決定付けられる。この状態と温度を数分間保ちレ
ンズ材料２６を金型面に充分馴染ませ転写を行った後、
冷却を行いレンズ材料２６を固化させ成形レンズを創生
する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図７は、ガラスレンズ
の成形に用いるガラス材料の「温度−伸び量」の一例を
示したグラフである。室温から４７０℃あたりまでは、
ほぼ一定の割合で膨張しているが、それ以上の温度から
急激に伸び量が大きくなり、約５５５℃で頂点に達し、
それ以上の温度では軟化領域に入る。膨張率で表現する
と、室温〜４７０℃間の平均膨張率は、約0.0000096／
℃であり、急膨張を示している５１５℃〜５５５℃の間
の平均膨張率は、0.0001／℃となる。急膨張領域では、
通常膨張率の約10.4倍の膨張率を示している。

【００１１】従って冷却過程においては、ガラス材料が
高温の軟化状態から温度が降下し固まって行く過程にお
いて、温度上昇過程とは逆に、約５５５℃→５１５℃の
間では、急激な収縮を示すことになる。この急激に収縮
する区間が、軟化状態から固化状態に移行する過程でも
ある。この急激に収縮する現象に起因して、ガラスレン
ズ成形上で深刻な問題が発生する。

【００１２】図８は、軟化したレンズ材料２６をプレス
変形し終えた時の金型ユニットの状態を示したものであ
る。上パンチ型２３のフランジ面２３ａが、外胴型の上
端面２５ｂに当接して、成形レンズの厚みが決定付けら
れている。この時まだレンズ材料２６は軟化状態にあ
る。この状態を数分間保持し軟化したガラス材料２６を
金型面に充分馴染ませて形状転写を行った後、冷却工程
に移行する。

【００１３】下，上ヒータ板３２，３３への給電をスト
ップすると、ヒータ板の温度は急速に下降し冷却工程に
入る。ヒータ板の温度が下がり始めることによって、ま
ずそれに接している下，上パンチ型の温度が下がり始
め、その後を追って胴型の温度が下がり始める。図９
は、その時の温度変化の状況を実測したグラフである。
図９からも明らかなように、胴型の温度降下はパンチ型
に比べて時間遅れがあり、また温度変化度合いもパンチ
型に較べてなだらかになっている。冷却工程に入ると、
下，上パンチ型、胴型、成形ガラスレンズ等すべてのも
のが熱収縮を始める。さてここで留意すべきことは、前
述したようにレンズ材料であるガラスは、軟化状態から
固化状態に向かう段階で急激に収縮することである。こ
の急激な収縮によって、金型面とレンズ材料との緊密な
密着転写状態が破壊される所謂、型離れという現象が生
じないようにすることである。これを防止するにはレン
ズ材料が急激に収縮する期間においても常にレンズ材料
と金型との密着界面に、適度なプレス圧が掛かっている
ようにすることが肝要である。レンズ材料が軟化状態か
ら固化状態に移行する期間（急激な熱収縮を示す期間）
を巧くコントロールすることが必須となる。

【００１４】ではレンズ材料が型離れを起こさない金型
構成の条件を、図を用いて説明する。図８のように成形
プレスを終えた状態から冷却工程に移行すると、下，上
パンチ型、内，外胴型および成形ガラスレンズ全てが熱
収縮を始める。図９で示す、下パンチ型の首下寸法Ｊ、
上パンチ型の首下寸法Ｋ、ガラスレンズの中心厚Ｌに対
するそれぞれの収縮量を、ΔＪ、ΔＫ、ΔＬとする。ま
た外胴型の高さ寸法Ｈに対する収縮量をΔＨとすると、 ΔＪ＋ΔＫ＋ΔＬ＜ΔＨ ・・・・・・・・(１) 上記の(１)式の条件を満足しなければ、収縮過程におい
て金型面と成形レンズとの密着面に極微少な隙間が生
じ、型離れの原因となる。

【００１５】(１)式の左辺の合計収縮量より、右辺の外
胴型の収縮量が大きければ、外胴型端面と上パンチ型フ
ランジ面との間には常に僅かなギャップができ、プレス
圧はレンズ材料に作用するので、冷却時の型離れが防止
できる。

【００１６】では次に、具体的な数値を用いて前述の内
容の一例を計算してみる。ここでは特にレンズ材料が軟
化状態から固化状態に移行する５５５→５００℃の温度
領域が対象となるので、この温度領域における各材料の
物性値を用いて計算を行う（下，上パンチ型、外胴型の
膨張率は、低温時の膨張率より大きい）。なお温度の変
化範囲は５５５→５００℃の５５℃とする。

【００１７】 部品名 熱膨張率(/℃) 寸法(mm) 収縮量(mm) 下パンチ型 6.9×E-6 J=19.0 ΔJ=0.0072 上パンチ型 6.9×E-6 K=25.0 ΔK=0.0095 ガラス材料 100×E-6 L=7.50 ΔL=0.0413 外胴型 20×E-6 H=51.5 ΔH=0.0567 ΔＪ＋ΔＫ＋ΔＬ＝0.0520(mm) ＜ ΔＨ＝0.0567(mm) ΔＨが４.７μｍと僅かながら上回っており(１)式の条
件を満たしている。

【００１８】しかしながらこの位の僅かな量ではかなり
不安定であるといえる。何故ならば全ての部材の温度が
同じスピード同期して下がれば(１)式の関係は常に成り
立つが、各部材の温度降下には時間的な差ができ、場合
によっては(１)式の関係の逆転もありうる。その状況に
ついて次に説明する。

【００１９】図９は、成形時における上パンチ型と外胴
型の温度推移を示したグラフであるが、成形保圧状態か
ら冷却工程に移行する過程での二者の曲線変化を比較す
ると、上パンチ型の型温はかなり急峻に変化しているが
（下パンチ型も上パンチ型と同様の温度変化を示す）、
外胴型の温度変化は時間遅れがあり、また変化の度合い
もなだらかになっている。外胴型よりも下，上パンチ型
の方が早く冷却され、それに密着しているガラス材料も
これに追随して冷却される。外胴型の冷却はこれより遅
れて始まり、しかもなだらかに型温が降下するため、こ
の段階で下，上パンチ型、ガラス材料の熱収縮より、外
胴型の熱収縮が遅れ、前述(１)式の関係が逆転し、型離
れの発生が見られる。一旦型離れが起こるともはや光学
性能を満足する転写面は得られない。

【００２０】本発明は、このような現象を解消し安定し
た光学面転写が行えるレンズ成形金型を提供するもので
ある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前述した課題は、下，上
パンチ型に比べ外胴型の温度降下が遅れて追随するため
に発生する。したがってこの現象を解消すればよいこと
になる。そのために 本発明では、外胴型を下，上パン
チ型のフランジ部で挟み込むのではなく、上パンチ型の
上に伝熱板を介在させ、それを介して上パンチ型に熱が
伝わるようにすると共に、上記伝熱板に外胴型を結合さ
せ上記と同様に伝熱板を介して外胴型に熱が伝わるよう
に構成している。このように構成することによって、冷
却時には、まず伝熱板が冷却され、それに接している上
パンチ型と、それに結合されている外胴型が同時に冷却
されることになる。この様に構成することで上パンチ型
と外胴型の冷却スピードに差がなくなり、前述した課題
が解消される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態につい
て、図を用いて説明する。

【００２３】図１は、本発明のレンズ成形金型の構成の
一例を示した断面図である。図１において、２は下パン
チ型、３は上パンチ型、４は内胴型である。そして下パ
ンチ型２、上パンチ型３、内胴型４を組み合わせて構成
されるキャビティ空間にレンズ材料７が載置されてい
る。

【００２４】６は伝熱板であり、その伝熱板６に円筒形
の外胴型５が複数個のネジで締結されている。内胴型４
および外胴型５の円筒壁面には、複数個の空気抜き孔４
ａ、５ａが形成されている。

【００２５】伝熱板６と外胴型５を締結した円筒蓋状の
ものを、上パンチ型３の上から被せる。図２は、被せた
時の状態を示したものである。この時、伝熱板の下面６
ａと上パンチ型の底面３ａがぴったりと密接している。

【００２６】それでは上記のように構成された金型の働
きについて説明する。図３は金型ユニット１を熱プレス
成形機１１に載置し下，上のヒータ板１２,１３で軽く
挟み込んだ状態を示している。熱プレス成形機内部には
窒素ガスが連続的に注入され、窒素ガスで充たされ酸素
濃度は極めて希薄な状態となっている。この様にするこ
とで高温時の金型の酸化損耗を防いでいる。

【００２７】さて上ヒータ板１３に通電し温度を上げて
ゆくと、まず伝熱板６が加熱され温度が上昇する。上パ
ンチ型３の温度は、伝熱板６からの伝熱によって加熱さ
れることになる。同様に外胴型５も伝熱板６からの伝熱
によって加熱される。このように上パンチ型３および外
胴型５は、共に伝熱板６から同時に熱供給を受けるため
同じタイミングで温度変化が起こる。上ヒータ板１３へ
の通電が断たれ冷却方向に向かうと、熱の流れが逆にな
るだけでまったく同様のことが言える。下パンチ型２
は、下ヒータ板１２によって上パンチ型３と同様に加熱
あるいは冷却される。

【００２８】図４は、プレス工程が終了した時点の状態
を示した図面である。外胴型５の下端面５ｂが、下ヒー
タ板１２に当接した時点でプレス変形は終了し、成形保
圧工程に移行する。その後下ヒータ板１２が冷却工程に
移行すると、外胴型の下端面，下パンチ型は共に下ヒー
タ板１２に接しているので、同じタイミングで冷却が開
始される。図４からも明らかなように、成形レンズの厚
さ寸法は、外胴型５の高さ寸法によって決定付けられ
る。成形レンズの厚さの微調整は、実際に成形して出来
上がったレンズの厚さを測定し修正すべき値を求め、外
胴型５の高さを微少量修正することで行う。

【００２９】これまでの説明では、外胴型と伝熱板とは
別々の部品であり、ネジで締結して使用するようになっ
ているが、これらを一体加工することも可能である。一
体加工すると接触面がなくなるので、熱の伝導率が向上
しより効率的に外胴型部を加熱あるいは冷却することが
可能となる。

【００３０】また伝熱板と外胴型を異なる金属材料で製
作することも可能である。特に伝熱板を熱伝導率の良い
超硬合金等で製作すれば短時間で均一に熱が行き渡るの
で、パンチ型と外胴型とでよりタイミングの揃った加熱
・冷却が可能となる。

【００３１】さてガラスレンズの成形は５５０〜６００
℃の高温で行われる。成形金型の高温下での酸化を防止
するため、多くは窒素還元雰囲気中で成形が行われる
が、微少量の酸素は残存しており少しづつではあるが酸
化が進行する。金型表面に所謂黒皮と呼ばれる酸化膜が
生成され、これが剥がれて成形レンズに異物として混入
したり、胴型とパンチ型との滑らかな嵌合を阻害するよ
うになる。そこで酸化防止のため金型全面に、高温下で
の耐酸化性を備えた鍍金を厚めに施し、（１００μｍ程
度）この鍍金層の幾分かを研削あるいは研磨して所定の
金型寸法に仕上げる。この様に加工することで金型表面
は滑らかな鍍金層で覆われることになり、飛躍的に耐酸
化損耗を防止でき、金型寿命を向上させることができ
る。図１に示す下パンチ型２，上パンチ型３,内胴型４
には、この様に加工した金型を使用している。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、伝熱板
６を介して同時に上パンチ型３，外胴型５に熱の伝達が
行われるため、従来の金型構成のように胴型の冷却がパ
ンチ型に較べ時間遅れが発生しないため、冷却開始の初
期段階においても前述（１）式の関係が成り立つので、
金型とレンズ材料との型離れを防止でき、良好なガラス
成形レンズを安定して得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】伝熱板と外胴型の結合体を被せる前の、レンズ
金型ユニットを示した図

【図２】レンズ成形金型を組み合わせ、中にレンズ材料
を納入した状態を示した図

【図３】レンズ金型ユニットを熱プレス成形機に搭載
し、上下のヒータ板で挟んだ状態を示した図

【図４】プレス工程が終了し、レンズ材料が圧延され成
形レンズ形状に仕上がった状態を示した図

【図５】従来のレンズ成形金型の組立図

【図６】従来のレンズ金型ユニットを熱プレス成形機に
搭載し、上下のヒータ板で挟んだ状態を示した図

【図７】ガラス材料の「温度−伸び率」を表したグラフ

【図８】プレスが終了し、レンズ材料が圧延され成形レ
ンズ形状に仕上がった状態を示した図

【図９】成形工程中における、上パンチ型と外胴型の温
度推移を示したグラフ

【図１０】金型等の熱収縮の計算対象となる寸法を示し
た図

【符号の説明】

１ 金型ユニット ２ 下パンチ型 ３ 上パンチ型 ４ 内胴型 ４ａ 空気抜き孔 ５ 外胴型 ６ 伝熱板 ７ レンズ材料 １１ 熱プレス成形機 １２ 下ヒータ板 １３ 上ヒータ板 ２１ 従来の金型ユニット ２２ 下パンチ型 ２３ 上パンチ型 ２４ 内胴型 ２４ａ 空気孔 ２５ 外胴型 ２５ａ 空気孔 ２６ レンズ材料 ３１ 熱プレス成形機 ３２，３３ 下ヒータ板，上ヒータ板 ３４，３５ 下断熱板，上断熱板 ３６，３７ 下冷却板，上冷却板

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空円筒形の第１胴型と、前記第１胴型
   の上および下方向から嵌挿される上パンチ型と下パンチ
   型と、前記第１胴型と上パンチ型と下パンチ型を組み合
   わせてなる金型組立体を、内部に収納可能な中空円筒形
   の第２胴型と、第２胴型の一端面を塞ぐように結合され
   る第２胴型とほぼ同径の円板形の伝熱板を備えたことを
   特徴とする光学素子の成形金型。
2. 【請求項２】 請求項１記載の成形金型において、第２
   胴型と伝熱板を結合させた形状の部材を、一体で加工し
   たことを特徴とする光学素子の成形金型。
3. 【請求項３】 請求項１記載の成形金型において、第２
   胴型と伝熱板とをそれぞれ異なる材質の金属で製作した
   ことを特徴とする光学素子の成形金型。
4. 【請求項４】 中空円筒形の胴型と、前記胴型の上およ
   び下方向から嵌挿される上パンチ型と下パンチ型とを具
   備したガラスレンズ成形金型において、前記胴型，上パ
   ンチ型，下パンチ型の夫々の金型の全面あるいは一部の
   面に、耐酸化性のある鍍金を施したことを特徴とする光
   学素子の成形金型。
5. 【請求項５】 中空円筒形の第１胴型と、前記第１胴型
   の上および下方向から嵌挿される上パンチ型と下パンチ
   型と、前記第１胴型と上パンチ型と下パンチ型を組み合
   わせてなる金型組立体を内部に収納可能な中空円筒形の
   第２胴型と、第２胴型の一端面を塞ぐように結合される
   第２胴型とほぼ同径の円板形の伝熱板を備えた光学素子
   の成形金型を用いて、前記第１胴型と上パンチ型と下パ
   ンチ型を組み合わせて形成される金型キャビティ内にレ
   ンズ材料を載置し、前記上パンチ型と前記下パンチ型と
   の間にプレス圧を付与して前記レンズ材料に前記金型キ
   ャビティ形状を転写して光学素子を製造することを特徴
   とする光学素子の製造方法。
6. 【請求項６】 中空円筒形の胴型と、前記胴型の上およ
   び下方向から嵌挿される上パンチ型と下パンチ型とを具
   備したガラスレンズ成形金型において、前記胴型，上パ
   ンチ型，下パンチ型の夫々の金型の全面あるいは一部の
   面に、耐酸化性のある鍍金を施した光学素子の成形金型
   を用いて、前記胴型と上パンチ型と下パンチ型を組み合
   わせて形成される金型キャビティ内にレンズ材料を載置
   し、前記上パンチ型と前記下パンチ型との間にプレス圧
   を付与して前記レンズ材料に前記金型キャビティ形状を
   転写して光学素子を製造することを特徴とする光学素子
   の製造方法。