JP2005162547A - 光学素子成形型と光学素子製造装置及び光学素子製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学素子の離型を容易にし、高精度な光学素子を成形できる光学素子成形型と光学素子製造装置及び光学素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 光学素子３の凹面側を形成する上型１と、凸面側を形成する下型２と、下型２を内包し下型２の外周面と嵌合する内胴型７と、外周面が内胴型７の内周面と嵌合し、内周面が上型１の外周面と嵌合する可動胴型６と、上下型１、２、内胴型７、及び可動胴型６を内包する外胴型９とを備え、可動胴型６の下型２側の端部が、上下型１、２の間の光学素子３の外周部に当接し、かつ可動胴型６の上端面が上加熱板４に当接した状態において、下型２を上型１側へ移動させると、可動胴型６が光学素子３を押圧して、光学素子３が上型１から離型する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、光学機器に使用される光学素子、例えばカメラレンズや光ディスク装置に用いる集光レンズを精密成形法により形成するための光学素子の成形に関する。

近年、光学レンズを研磨工程無しの一発成形により形成する技術が数多く提案されている。例えば、下記特許文献１に記載の成形方法は、上下型と胴型とで構成されるキャビティーにガラス素材を配置するものである。この成形方法では、加熱軟化したガラス素材を加圧成形した後、冷却過程に移行する。冷却過程においては、成形によって生じた成形型とガラス素材との密着を維持したまま、成形型が成形したレンズの光軸方向に、レンズの収縮に伴って移動する。このことにより、冷却過程においては、成形品の収縮に伴い成形型と成形品とが常に密着した状態で冷却されるので、短時間でかつ高精度の光学素子を得ることができる。

また、下記特許文献２には、冷却過程で上下型を解放して成形型の成形面からガラス素材（成形されたレンズ）を剥離させ、一旦密着状態を解除した後に、再び成形型を閉じて冷却を継続する成形方法が提案されている。この成形方法は、冷却過程における不必要な熱応力歪みを残すのを防止し、高精度の光学素子を得るというものである。
特開平２−１３７７４０号公報 特開平６−９２６５６号公報

しかしながら、前記特許文献１の成形方法は、「高温においてガラスと型との間には適当な密着力を有し、ガラスの収縮に伴い下型２が持ち上げられる。」（特許文献１の第４頁左上欄６−８行）、及び第３図に示されるようにプレート４と下型２の下面には空気断熱層が形成されている。この空気断熱層は成形品の冷却性の阻害要因となり、高精度なレンズ成形が実現されても生産性の点では不利になる。

特許文献２の成形方法は、冷却工程においては、成形品を一旦成形型から剥離した後、再び成形型を始めの状態に戻すというものである（特許文献２の段落[００１１]、[００１２]、図１（ｃ）−（ｄ））。しかし、この成形方法では、固定手段８がバネ機構を有しているため剥離するために必要な力がバネ力よりも大きな場合、成形品の収縮後の形状変化や、成形品が元の位置に置かれる際の再現性が狂うという問題がある。また、成形品と成形型との間で相対移動すなわち位置ずれが発生し、重要なレンズ面に傷を付けかねないという問題がある。

さらに、「各実施例において、光学素子の形状は、その光学機能面が凸でも凹でも構わない。」（特許文献２の段落[００１９]）と記載されているが、剥離については、光学機能面が凸と凹とでは大きく異なる。通常、レンズ形状が凸形状の方が剥離し易く、凹形状は剥離しにくい。

これは、冷却過程での温度領域におけるガラス素材の熱膨張係数が金型材料の熱膨張係数よりも大きいためである。すなわち、光学素子の光学機能面が凹形状の場合は、ガラス素材が凸形状の金型に食らいつく現象と押圧での面転写による密着が起こり離型が困難になるためである。一方、光学機能面が凸形状の場合には、ガラス素材は三次元的な相似収縮によって成形型から離れようとするので離型は容易である。前記特許文献１、２には、凸形状の光学機能面における離型の困難性を解決する技術は、特に提案されていなかった。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、特にメニスカス形状の光学素子（以下メニスカスレンズと称す）を押圧成形する場合の離型を容易にし、高精度な光学素子を成形できる光学素子成形型と光学素子製造装置及び光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の光学素子成形型は、ガラス材料を押圧して光学素子を成形する光学素子成形型であって、前記光学素子の凹面側を形成する上型と、前記光学素子の凸面側を形成する下型と、前記下型を内包し前記下型の外周面と嵌合する内胴型と、外周面が前記内胴型の内周面と嵌合し、内周面が前記上型の外周面と嵌合する可動胴型と、前記上下型、内胴型、及び可動胴型を内包する外胴型とを備えており、前記光学素子成形型は、前記光学素子成形型の上下面に、それぞれ上加熱板と下加熱板とを接触させて前記光学素子を成形するものであり、前記可動胴型の前記下型側の端部が、前記上下型の間の前記ガラス材料が押圧して成形された前記光学素子の外周部に当接し、かつ前記可動胴型の上端面が前記上加熱板に当接した状態において、前記下型を前記上加熱板側へ移動させると、前記可動胴型が前記光学素子を押圧して、前記光学素子が前記上型から離型することを特徴とする。

本発明の光学素子製造装置は、前記本発明の光学素子成形型を備えた光学素子の製造装置であって、前記光学素子成形型の上下面に接触させる上加熱板と下加熱板と、離型ピンとをさらに備えており、前記上加熱板は、前記上型に接触し前記上型に加圧力を印加する凸状段差を備えた加熱板と、前記凸状段差を備えていない加熱板との使い分けができ、前記離型ピンは、前記下加熱板を貫通し、先端が前記下型に当接して前記下型を前記上加熱板側に移動させることを特徴とする。

本発明の光学素子の製造方法は、前記本発明の光学素子製造装置を用いた光学素子の製造方法であって、前記上下型、前記内胴型、前記可動胴型及び外胴型とで形成される内部空間に前記ガラス材料を投入し、前記成形型の上下面に前記上下の加熱板を接触させ、前記ガラス材料を加熱する加熱工程と、前記加熱を継続しながら前記上型を介して前記ガラス材料を加圧変形させる押圧工程と、前記光学素子成形型を冷却する冷却工程と、前記離型ピンの先端を前記下型に当接させて、前記ガラス材料の成形品を前記前記上型から離型させる離型工程とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、特にメニスカスレンズを押圧成形する場合の離型を容易にし、高精度な光学素子を成形することができる。

本発明の光学素子成形型と光学素子製造装置及び光学素子の製造方法によれば、可動胴型が光学素子を押圧して光学素子を上型から離型させることができるので、特にメニスカスレンズを押圧成形する場合の離型が容易になる。

前記本発明の光学素子成形型においては、前記可動胴型の前記下型側の端部が、前記光学素子の外周部に当接するように、前記可動胴型の内径は、前記下型の外周面と嵌合している部分の前記内胴型の内径より小さいことが好ましい。

また、前記本発明の光学素子製造装置においては、前記凸状段差の高さは、前記上加熱板が前記可動胴型及び外胴型の上端面に当接したときに、前記凸状段差の下端面が前記上型の上端面に当接する高さであり、前記凸状段差を備えていない前記上加熱板が前記可動胴型及び外胴型の上端面に当接したときは、前記上加熱板の下端面と前記上型の上端面との間に隙間が形成されていることが好ましい。この構成によれば、凸状段差による押圧が確実になり、上加熱板の下端面と上型の上端面との間の隙間により、下型が上側に移動できるので、光学素子の離型が容易になる。

また、前記本発明の光学素子の製造方法においては、前記凸状段差を備えた上加熱板を用い、前記離型工程においては、前記凸状段差を備えていない上加熱板を用いることが好ましい。この構成によれば、押圧が確実になり光学素子の離型も容易になる。

また、前記各工程に対応する個数の前記光学素子成形型を備えており、前記各工程の作業を終える毎に、前記光学素子成形型を次工程に搬送し、前記各工程の作業を同時に行なうことが好ましい。この構成によれば、光学素子を連続的に製造できるので、生産性を高めることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る光学素子の成形装置の要部断面図である。本図は、ガラス素材の変形完了状態を示している。本図に示した成形装置は、成形型２０と、上加熱板４及び下加熱板５とを備えている。

上型１の凸形状の成形面１ａと下型２の凹形状の成形面２ａとの間に配置されたガラス素材は押圧により変形し、光学素子であるメニスカス形状のレンズ３が成形されている。上型１の成形面１a及び下型２の成形面２aは、成形品であるレンズ３の光学機能面に対応し、光学鏡面に仕上げられている。成形面１ａ、２ｂとは反対側の面は平面状に加工されている。上加熱板４及び下加熱板５には、ヒータ８が埋設されており、成形型２０に直接接触しての伝熱作用により成形型２０を加熱することができる。

上型１の外周面は、可動胴型６と精密に嵌合しており、可動胴型６上を摺動可能である。また、可動胴型６と内胴型７とは同軸配置されており、可動胴型６の外周面は、内胴型７に精密に嵌合している。内胴型７の外側には外胴型９が上下型１、２、内胴型７及び可動胴型６の全体を内包するように配置されている。下型２、内胴型７及び外胴型９の下面は、平面状の下加熱板５に直接接触している。上加熱板４の下面には凸状段差１０が形成されており、凸状段差１０は、上型１の上端面の面積より小さな範囲で上型１に接触している。

上型１と下型２の成形面１ａ、２aは、レンズ３の光学機能面を形成し、可動胴型６及び内胴型７により、上下型１、２の中心軸（光軸）を合致させている。また、後に具体的に説明するように、可動胴型６は成形されたレンズ３を上型１の成形面１ａから離型させる作用を発揮し、内胴型７はレンズ３の外径を規制することができる。さらに、外胴型９はレンズ３の中心厚みと傾きを保証し、成形型２０全体を保温する役割がある。

図２−６は、本発明に係る光学素子の成形装置を製造工程順に示した要部断面図である。図２−６において、矢印は加圧を意味し、矢印の長さにより加圧力の程度を使い分けている。上型１、下型２、内胴型７及び可動胴型６は、熱膨張係数が５５×１０^-7のＷＣ（タングステンカーバイド）を主成分とする超硬合金を用いている。上下型１、２の成形面１ａ、２ａは鏡面加工が施され、各胴型６、７の摺動部分にも必要に応じて鏡面加工が施されている。特に成形面１ａ、２ａには耐熱性及び耐食性に優れた白金系の合金膜が形成されている。外胴型９には熱膨張係数が１６０×１０^-7のステンレス鋼材を用いている。ガラス素材には硼珪酸バリューム系（ガラス転移点：５１６℃、屈伏点：５５３℃）のガラス材を必要な体積に加工した球形状のものを準備した。

図２は、加熱工程を示している。上型１、下型２、内胴型７及び可動胴型６で形成される内部空間にガラス素材１３を投入し、それらの外周に外胴型９を配置している。成形型２０は下加熱板５の上に載置しており、成形型２０の上側には上加熱板４を載置している。上加熱板４は、図示しない加圧機構（例えばエアシリンダ）により下降し、上加熱板４に一体的に設けられた凸状段差１０を上型１の上端面に当接させている。このようにして、成形型２０全体が上下から加熱されることになる。

本実施の形態では、上加熱板４及び下加熱板５の温度を５９０℃に設定し、６０秒間保持した。加熱工程ではガラス素材１３の変形を目的とせず、成形型２０とガラス素材１３の加熱を目的とするため、上加熱板４を介しての加圧力は１００Ｎとした。

図３は、ガラス素材の変形工程を示している。上下加熱板４、５の温度は加熱工程と同様の５９０℃に設定している。成形型２０を介して加熱されたガラス素材１３は、矢印で示す４０００Ｎの加圧力で徐々に変形しながら上下型１、２の成形面１ａ、２ａを中心から周辺に向かって流動する。

この流動が進行すると、ガラス素材１３は内胴型７の内面に到達して、さらに成形面１ａの上側すなわち外周部に流動する。可動胴型６の内径は、下型２の外周面と嵌合している部分の内胴型７の内径より小さいので、ガラス素材１３の外周部は可動胴型６の下端部に当たる。このことにより、可動胴型６は上側に若干持ち上げられ、可動胴型６の下端面と内胴型７の内部端面７ａとの間に間隙１１ができる。可動胴型６はガラス素材１３の変形にしたがって、さらに上側に移動し、やがて上加熱板４の下端面に当接する。

図４は、冷却工程を示している。本図では、外胴型９の上端面と上加熱板４の下端面とが当接しており、ガラス素材１３の加圧による変形が完了し、レンズ３の中心肉厚が決定している。この状態で一定時間保持した後、冷却を開始する。保持時間は、本実施の形態では、変形時間を含んで６０秒間とした。冷却が開始すると、外胴型９は、他の型に比べて熱膨張係数も寸法も大きいので、最も大きな収縮量を示す。同時に、可動胴型６も下側に押し下げられながら冷却される。冷却工程では上下加熱板の設定温度の５２０℃まで冷却され、レンズ３は固化する。この時点で可動胴型６と内胴型７との隙間１１は残ったままである。

図５、６は、離型工程を示しており、この工程において上型１の成形面１ａに密着したレンズ３が離型する。下加熱板５には、ノックアウトピン１２が挿通している。ノックアウトピン１２は、エアシリンダ等の駆動源（図示せず）に連結されており、図中矢印で示したように、上下に移動可能である。

ノックアウトピン１２が上昇すると、ノックアウトピン１２の先端が下型２の下端面に当接する。ノックアウトピン１２の上昇に伴い、下型２も上側に持ち上げられ、これに伴いレンズ３及び上型１も上昇する。また、レンズ３の外周部は、可動胴型６の下端面に当接しているので、レンズ３が上昇すると可動胴型６も上昇する。本実施の形態では、ノックアウトピンの加圧力は２００Ｎとした。

図６は、可動胴型６の上端面が上加熱板４の下端面に当接するまで上昇した状態を示している。上加熱板４には、加圧力が印加されているので、可動胴型６の上昇は、本図の状態で止まることになる。この状態からさらにノックアウトピン１２の突き上げ力の印加を継続すると、この突き上げ力に相当する反力は、可動胴型６を介してレンズ３の外周部に伝わることになる。

ここで、図４に示した冷却工程の温度領域においては、ガラス材であるレンズ３の熱膨張係数は、金型材料の熱膨張係数よりも大きい。この場合、メニスカス形状のレンズ３の凸形状部は、三次元的な相似収縮によって成形型２ａから離れようとする離型作用が働き、特別に外力を印加することなく、下型２から離型させることができる。一方、レンズ３の凹形状部は、収縮によってガラス素材が上型１の成形面１ａに食らいつく現象と押圧での面転写による密着が起こり、離型が困難になる。

本実施の形態では、前記のように、レンズ３外周部を可動胴型６が押圧することにより、レンズ３の凹形状部と上型１との離型を容易にしている。より具体的には、前記のように冷却工程においてレンズ３は下型２から離型しており、可動胴型６の押圧により、レンズ３は上側に凸になるように湾曲する。この湾曲によるレンズ３の変形により、レンズ３は上側１の成形面１ａから離型する。離型工程においては、上加熱板４の凸状段差１０が無いので、上側１の上端と上加熱板４の下端との間には、隙間１４が形成されている。このため、上型１は、ノックアウトピン１２の押圧により上昇する余地があり、レンズ３の変形に伴って、上昇することになる。すなわち、上側１が上昇しつつ、レンズ３は湾曲しながら上側１から離型することになる。

その後、成形型２０を分解しレンズ３を取り出し、フィゾー型の光干渉計を用いて光学機能面を評価したところ、レンズ凹面側がλ／４〜５であり、凸面側がλ／４の球面精度が確認された。また、離型後のレンズ３には特に光学機能面を悪化させる傷などの発生は確認出来なかった。

図２に示した加熱工程、変形工程、冷却工程、離型工程の４工程分の成形型２０を独立して準備し、各工程が完了する毎に、成形型２０を次工程に順送りするようにしてもよい。

より具体的には、各工程の作業時間を一定時間（例えば６０秒）とし、この一定時間経過毎に、各成形型２０を搬送手段（図示せず）により平面上をスライドさせ、次工程に搬送するようにする。この方法によれば、凹メニスレンズのように離型が困難なレンズを連続的に生産でき、生産性の向上を図ることができる。

なお、離型工程において、可動胴型とガラスが接する作用点には偏荷重がかかるようにすると離型をより容易にすることができる。また、冷却工程において、上加熱板４の温度を下加熱板５のそれよりも高く設定し、レンズのベンディング作用を利用してもよい。

本発明によれば、光学素子の離型を確実かつ容易にでき、離型の際の光学機能面に傷の発生も防止でき、特にメニスカスレンズのような凹形状の光学機能面を備えたレンズの成形に有用である。

本発明の一実施の形態に係る光学素子の成形装置の要部断面図。 本発明の一実施の形態に係る加熱工程の要部断面図。 本発明の一実施の形態に係る変形工程の要部断面図。 本発明の一実施の形態に係る冷却工程の要部断面図。 本発明の一実施の形態に係る離型工程の要部断面図。 本発明の一実施の形態に係る離型工程の要部断面図。

符号の説明

１ 上型
２ 下型
３ ガラス素材（レンズ）
４，５加熱板
６ 可動胴型
７ 内胴型
８ ヒータ
９ 外胴型
１０ 凸状段差
１１ 隙間
１２ ノックアウトピン
２０ 成形型

Claims (7)

1. ガラス材料を押圧して光学素子を成形する光学素子成形型であって、
   前記光学素子の凹面側を形成する上型と、
   前記光学素子の凸面側を形成する下型と、
   前記下型を内包し前記下型の外周面と嵌合する内胴型と、
   外周面が前記内胴型の内周面と嵌合し、内周面が前記上型の外周面と嵌合する可動胴型と、
   前記上下型、内胴型、及び可動胴型を内包する外胴型とを備えており、
   前記光学素子成形型は、前記光学素子成形型の上下面に、それぞれ上加熱板と下加熱板とを接触させて前記光学素子を成形するものであり、
   前記可動胴型の前記下型側の端部が、前記上下型の間の前記ガラス材料が押圧して成形された前記光学素子の外周部に当接し、かつ前記可動胴型の上端面が前記上加熱板に当接した状態において、前記下型を前記上加熱板側へ移動させると、前記可動胴型が前記光学素子を押圧して、前記光学素子が前記上型から離型することを特徴とする光学素子成形型。
2. 前記可動胴型の前記下型側の端部が、前記光学素子の外周部に当接するように、前記可動胴型の内径は、前記下型の外周面と嵌合している部分の前記内胴型の内径より小さい請求項１に記載の光学素子成形型。
3. 請求項１に記載の光学素子成形型を備えた光学素子の製造装置であって、
   前記光学素子成形型の上下面に接触させる上加熱板と下加熱板と、離型ピンとをさらに備えており、
   前記上加熱板は、前記上型に接触し前記上型に加圧力を印加する凸状段差を備えた加熱板と、前記凸状段差を備えていない加熱板との使い分けができ、
   前記離型ピンは、前記下加熱板を貫通し、先端が前記下型に当接して前記下型を前記上加熱板側に移動させることを特徴とする光学素子製造装置。
4. 前記凸状段差の高さは、前記上加熱板が前記可動胴型及び外胴型の上端面に当接したときに、前記凸状段差の下端面が前記上型の上端面に当接する高さであり、前記凸状段差を備えていない前記上加熱板が前記可動胴型及び外胴型の上端面に当接したときは、前記上加熱板の下端面と前記上型の上端面との間に隙間が形成されている請求項３に記載の光学素子製造装置。
5. 請求項２に記載の光学素子製造装置を用いた光学素子の製造方法であって、
   前記上下型、前記内胴型、前記可動胴型及び外胴型とで形成される内部空間に前記ガラス材料を投入し、前記成形型の上下面に前記上下の加熱板を接触させ、前記ガラス材料を加熱する加熱工程と、
   前記加熱を継続しながら前記上型を介して前記ガラス材料を加圧変形させる押圧工程と、
   前記光学素子成形型を冷却する冷却工程と、
   前記離型ピンの先端を前記下型に当接させて、前記ガラス材料の成形品を前記前記上型から離型させる離型工程とを備えたことを特徴とする光学素子の製造方法。
6. 前記押圧工程においては、前記凸状段差を備えた上加熱板を用い、前記離型工程においては、前記凸状段差を備えていない上加熱板を用いる請求項５に記載の光学素子の製造方法。
7. 前記各工程に対応する個数の前記光学素子成形型を備えており、前記各工程の作業を終える毎に、前記光学素子成形型を次工程に搬送し、前記各工程の作業を同時に行なう請求項５に記載の光学素子の製造方法。

Images