JP2005187216A - 光学素子成形用金型及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凹メニスカスレンズは中心部より周辺部の肉厚が厚いため、成形後の冷却収縮時に周辺部より中心部が早く冷却されてしまうため、内部に残留応力が生じ、このために割れやすく、所望の光学面精度を確保することが非常に困難であり、生産効率が悪いという課題がある。
【解決手段】上型と下型に凹部を形成し、光学素子成形体の冷却時にその凹部近傍の冷却速度を他の部分より遅くして、光学素子成形体の冷却速度に差を設けることにより、光学素子成形体の冷却を均一化し、残留熱歪の少ない凹メニスカスレンズを成形する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子成形用金型、特に凹面を有する光学素子を成形するのに最適な光学素子成形用金型及びその光学素子成形用金型を用いた光学素子の製造方法に関する。

近年、デジタルスチルカメラの高画質化、小型化に伴い、凹メニスカスレンズを前玉等に使用し、光学系の高画質化、小型化が推進されている。

凹メニスカスレンズは中心部より周辺部の肉厚が厚く、プレス成形後の冷却収縮時に周辺部より中心部が早く冷却されてしまうために、ガラス内部に残留応力が生じ、このため割れやすく、所望の面精度を確保することが凸レンズに比べて非常に困難であり、生産効率が悪いレンズである。したがって、品質を維持しながらいかに生産性を向上させるかが課題になっている。

このような課題に対して、例えば、特許文献１には加圧成形後の冷却工程で上型への加圧を解除し、上型の自重のみによる加圧によって面精度を得る製造方法が開示されている。また、特許文献２には同様に冷却時に上型の自重のみの加圧をかけることによって良好な面精度を得る成形装置が開示されている。

他方、メニスカスレンズの成形生産性を向上させるための方法として、例えば、特許文献３には、成形では１面のみの面精度を確保し、他面は後加工で仕上げるという成形方法が開示されている。
特開昭６１−２１９２７号公報 特開平１１−４９５２３号公報 特開平８−４０７３２号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に開示の成形方法や製造装置は生産効率の悪いメニスカスレンズを精度良く製造する上で有効な手段ではあるが、生産性に問題がある。すなわち、上型への加圧を解除してその上型をフリーにすると気体断熱層が生じて熱の逃げ場がなくなるため、上型に加圧のためのプレス部材等の他部材が接触している状態に比べて冷却時間が長くなる。特に、金型の裏面を通じて伝熱加熱、伝熱冷却を行う製造方法では凸レンズの成形タクトに比べて大幅に冷却タクトが長くなってしまうという問題点があった。

また、特許文献３に開示の方法では、後加工の追加により光学素子のコストが大幅に上昇するという問題がある。

本発明は、冷却工程で成形用金型を冷却する際、光学素子成形体の中心部と周辺部の冷却速度を変え、光学素子成形体全体の温度が均一に冷却されるようにすることによって、残留応力の発生を極力抑え、面精度のより優れた光学素子、特に凹面を有する光学素子を効率よく製造し得る成形用金型及び光学素子の製造方法を提供するものである。

本発明の光学素子成形用金型の第１の態様は、加熱手段により加熱される一対の上型と下型の間に供給された光学素子素材を加圧し、光学素子成形体を成形する光学素子成形用金型であって、前記上型と下型の前記加熱手段との接触部にそれぞれ凹部を設け、冷却時に前記凹部近傍の光学素子成形体の冷却速度を他の部分よりも遅くすることを特徴とする。

本発明の光学素子成形用金型の第２の態様は、成形用金型は光軸対称の光学素子を成形する金型であって、上型及び下型に加熱手段と当接する平面部を有し、この平面部に前記光軸に対して軸対称形の凹部を設けたことを特徴とする。

本発明の光学素子成形用金型の第３の態様は、上型及び下型と、前記上型及び下型と嵌合する胴型とによりその上型と下型の間に供給された光学素子素材から光学素子成形体を成形する光学素子成形用金型であって、光学素子成形体の冷却時にこの光学素子成形体を強制冷却する冷却気体を噴きつけるための貫通孔を前記胴型に設けたことを特徴とする。

本発明の光学素子の製造方法の第１の態様は、加熱手段により加熱される一対の上型と下型の間に供給された光学素子素材を加圧し、光学素子成形体を成形する光学素子の製造方法であって、前記上型と下型の前記加熱手段との接触部にそれぞれ設けた凹部により、冷却時に前記凹部近傍領域の光学素子成形体の冷却速度を他の領域部分よりも遅くすることを特徴とする。

本発明の光学素子の製造方法の第２の態様は、上型及び下型と、前記上型及び下型と嵌合する胴型とによりその上型と下型の間に供給された光学素子素材から光学素子成形体を成形する光学素子の製造方法であって、光学素子成形体の冷却時に前記胴型に設けられた貫通孔から冷却気体を噴きつけて強制冷却することを特徴とする。

本発明の光学素子の製造方法の第３の態様は、冷却時の冷却気体の噴きつけは胴型に形成した複数個の貫通孔から行うことにより、冷却気体の対流によって光学素子成形体を均一に冷却することを特徴とする。

本発明の光学素子成形用金型及び光学素子の製造方法によれば、冷却時に凹部近傍の転写面の冷却速度が他の領域より遅くなり、例えば凹メニスカスレンズのような中心部が薄く周辺部が厚い光学素子の成形では、光学素子成形体として均一に冷却され、このため残留熱歪が少なく、面精度のより優れた光学素子を成形することができる。

また、冷却時には光学素子成形体の外周部に直接冷却気体を噴きつけることにより、光学素子成形体を均一に冷却することができるものである。

以下、本発明の光学素子の成形用金型及び光学素子の製造方法の実施の形態例について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における成形用金型による光学素子の製造方法を示す概略断面図であり、図１（ａ）は成形開始前の状態であり、図１（ｂ）は成形完了後の状態である。

成形用金型１は光軸対称の光学素子として、凹メニスカスレンズを成形するために、光学成形面が凸形状をした上型２、光学成形面が凹形状をした下型３、第１の胴型４、第２の胴型９より構成されている。前記第１の胴型４は下型３に嵌合された状態でその下型３のフランジ部３ａ上に設置されている。前記第１の胴型４の外周には第２の胴型９が嵌合されており、その第２の胴型９の高さは第１の胴型４よりも高く構成されている。５は上型２の光学成形面２ｄと下型３の光学成形面３ｄ間に投入されたガラス素材からなる光学素子素材である。

上型２の上面の平面部及び下型３の下面の平面部にはそれぞれ加熱手段６、７が面接触されるようになっており、下型３は胴型４、９と共に加熱手段７上に載置され、上型２及び第２の胴型９には上下に移動可能な加熱手段６が接触されるようになっている。前記上型２及び下型３の加熱手段６、７が接触する平面部には凹部２ｂ、３ｂが形成されている。この凹部２ｂ、３ｂは上型２と下型３の光学成形面２ｄ、３ｄにおける光軸に対して軸対称形状に形成され、その凹部の深さと大きさは熱解析プログラムを用いて光学素子成形体の中心部と周辺部の冷却時の温度差が小さくなるように最適化された形状に形成されている。

ガラス素材からなる光学素子素材５が入れられた成形用金型１は図１（ａ）に示すように、加熱手段６、７がそれぞれ上型２及び下型３に平面接触した状態で所定の温度に加熱され、そして、加圧手段８によって加熱手段６が第２の胴型９と接触するまで加圧し、上型２と下型３の光学成形面２ｄ、３ｄにより光学素子成形体５ａが成形される。その後、加熱手段６と上型２は接触したまま所望の温度プロファイルに従って冷却される（図１（ｂ））。

図２は凹部２ｂ、３ｂの均熱化効果を示す熱解析結果を示す図である。図２（ａ）は有限要素法による熱解析に用いた２次元モデルを示す図であり、胴型９が最も温度が高く、上型２及び下型３が最も低く、光学素子成形体５ａは中心部Ａと周辺部Ｂは略同温度となっている。図２（ｂ）は熱解析におけるプレス完了後の加熱手段のヒータ温度及び光学素子成形体５の中心部Ａと周辺部Ｂの温度変化を示し、図２(ｃ)にこの時の中心部Ａと周辺部Ｂの温度差を示す。図２（ｂ）と（ｃ）における実線は図２(ａ)に示すモデルから導き出される温度差であり、点線は上型２と下型３に凹部２ｂ、３ｂが形成されていないモデル（図示せず）から導き出される温度差である。これらの熱解析結果より、凹部が形成されていない場合、中心部Ａと周辺部Ｂとの間で２７℃の温度差が生じるのに対して、凹部２ｂ、３ｂを設けることによってその温度差が１７℃になり、したがって、より均熱化された状態で光学素子成形体５ａを冷却することができる。

ここで、上記成形用金型と光学素子の成形について、より具体的に説明する。

上型２と下型３には熱間等方加圧焼結法（ＨＩＰ）で形成された炭化タングステン（ＷＣ−Ｃｏ）焼結体を用いた。その線熱膨張係数は５７×１０^-7／℃である。第１の胴型４も同様の焼結法で形成された炭化タングステン（ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ）焼結体を用いた。その線熱膨張係数が４７×１０^-7／℃である。ガラス素材はホウケイ酸ガラス（ガラス転移点５１０℃、屈伏点５５０℃、線熱膨張係数１００℃〜３００℃で９０×１０^-7／℃）を用い、直径１５ｍｍ、中心厚み４ｍｍに研磨加工した光学素子素材５を準備した。

図１（ａ）に示すように、窒素雰囲気中にある成形用金型１の上型２と下型３の間に光学素子素材５をセットし、その温度が５８０℃になるまで加熱する。光学素子素材５の温度が５８０℃になると、その粘度は１０⁹ポアズになっている。この温度で、加圧手段８により１５０Ｋｇ／ｃｍ²の圧力をかけて７０秒間プレスした。その後、加圧力を５０Ｋｇ／ｃｍ²まで減圧して加熱手段６、７のヒータ温度を１０秒後に３８０℃になるように冷却し、そしてその状態を４０秒間保持して図１（ｂ）に示すように光学素子成形体５ａを成形した。

熱解析の結果によると、図２（ｂ）に示すように、冷却開始から約１０秒後に光学素子成形体５ａの温度はガラスＴｇ点を通過する。このとき光学素子成形体５ａの中心部と周辺部の温度は図２（ｃ）の実線で示すように均熱化された状態でＴｇ点を通過し、従って、得られる光学素子成形体５ａは熱歪の発生が極力抑えられて光学成形面２ｄ、３ｄが忠実に転写された高精度な形状の光学素子が得られる。

上記のようにして成形された凹メニスカスレンズの形状精度を調べたところ、ニュートン２本以内、アスクセ０．５本以内の良好なレンズであった。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における成形用金型による光学素子の製造方法を示す概略断面図であり、図３（ａ）は成形開始前の状態であり、図３（ｂ）は成形完了後の状態である。

なお、図３において、図１の実施の形態１と同一構成部分には同一の符号が付してあり、その部分の詳細な説明は省略する。成形用金型１は光軸対称の凹メニスカスレンズからなる光学素子の成形用であり、上型２及び下型３、１つの胴型１２より構成されている。胴型１２には前記上型２及び下型３、胴型１２より構成される空間、すなわち光学素子成形体５ａが成形される空間であって、光学素子成形体５ａの外周部と略々同一高さの位置に側面方向から冷却気体を送入するための複数個の貫通孔１２ａと冷却気体を排出するための複数個の貫通孔１２ｂが形成されている。

上記実施の形態１と同様に、光学素子素材５が入れられた成型用金型１は加熱手段６、７により所定の温度に加熱され、そして加圧手段８によって加熱手段６が胴型１２と接触するまで加圧して光学素子成形体５ａを成形する。その後、加熱手段６と上型２は接触したまま所望の温度プロファイルに従って冷却される。この時、前記貫通孔１２ａに管を介してそれぞれ接続された冷却手段１３より冷却気体（図示せず）を光学素子成形体５ａに向けて送入し、その光学素子成形体５ａの外周部を強制的に冷却することによってその光学素子成形体５ａを均熱に冷却する。これにより、光学素子成形体５ａの熱歪の発生が極力抑えられるため、上型２、下型３の光学成形面２ｄ、３ｄが忠実に転写された高精度な光学素子が得られる。なお、送入された冷却気体は光学素子成形体５ａの冷却後に貫通孔１２ｂに管により接続された排出手段１４によって排出される。

上記光学素子成形体５ａの冷却時には、複数の貫通孔１２ａから冷却気体を光学素子成形体５ａに噴きつけるようにしたために、冷却気体が対流して光学素子成形体５ａは均一に冷却される。

この実施の形態２において、上型２及び下型３には熱間等方加圧焼結法（ＨＩＰ）で形成された炭化タングステン（ＷＣ−Ｃｏ）焼結体を用いた。その線熱膨張係数は５７×１０^-7／℃である。胴型１２も同様の焼結法で形成された炭化タングステン（ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ）焼結体を用いた。その線熱膨張係数は４７×１０^-7／℃である。ガラス素材はホウケイ酸ガラス（ガラス転移点５１０℃、屈伏点５５０℃、線熱膨張係数１００℃〜３００℃で９０×１０^-7／℃）を用い、直径１５ｍｍ、中心厚み４ｍｍに研磨加工された光学素子素材を準備した。

具体的な製造方法は、窒素雰囲気中にある上型２と下型３の間に図３（ａ）に示すように、光学素子素材（プリフォーム材）５をセットし、加熱手段６、７によりその温度が５８０℃になるまで加熱する。前記光学素子素材５の温度が５８０℃になるとその粘度は１０⁹ポアズになっている。この温度で、加圧手段８により１５０Ｋｇ／ｃｍ²の圧力をかけて８０秒間プレスした。その後、上型２への加圧力を５０Ｋｇ／ｃｍ²まで減圧して成形用金型１と共に光学素子成形体５ａを３００℃まで、０．８５℃／秒〜１．５℃／秒の速度で冷却した。この時の冷却には、冷却手段１３から冷却気体を３Ｌ／分の流量で送入し、光学素子成形体５ａの外周部を冷却する。これにより冷えにくい光学素子成形体５ａの外周部が冷却気体の対流によって強制的に冷却され、光学素子成形体５ａはより均熱に冷却されるため、光学素子成形体５ａは熱歪の発生が極力抑えられて光学成形面２ｄ、３ｄが忠実に転写された高精度な形状の光学素子が得られる。

なお、上記のようにして成形された凹メニスカスレンズの形状精度を調べたところ、ニュートン２本以内、アスクセ０．５本以内の良好なレンズであった。

以上、実施の形態１及び２について説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。

本発明は、光学素子の製造における冷却工程において、光学素子成形体の周辺部と中心部の冷却速度を変え、光学素子成形体全体の温度をより均一冷却するようにしたことにより、残留応力の発生を極力抑え、面精度のより優れた光学素子を成形することできるため、特に凹メニスカスレンズのような中心部と周辺部の肉厚の差が大きい光学素子の製造に適する。

本発明の実施の形態１における成形用金型による光学素子の製造方法を示すもので、（ａ）は成形開始前の状態の概略断面図、（ｂ）は成形後の状態の概略断面図 本発明の実施の形態１における成形用金型及び光学素子成形体の熱解析を示すもので、（ａ）は成型用金型の熱解析モデル図、（ｂ）及び（ｃ）は解析結果を示す図 本発明の実施の形態２における成形用金型による光学素子の製造方法を示すもので、（ａ）は成形開始前の状態の概略断面図、（ｂ）は成形後の状態の概略断面図

符号の説明

１ 成形用金型
２ 上型
３ 下型
４ 第１の胴型
５ 光学素子素材
５ａ 光学素子成形体
６、７ 加熱手段
８ 加圧手段
９ 第２の胴型
１２ 胴型
１２ａ、１２ｂ 貫通孔
１３ 冷却手段
１４ 排出手段

Claims (11)

1. 加熱手段により加熱される一対の上型と下型の間に供給された光学素子素材を加圧し、光学素子成形体を成形する光学素子成形用金型であって、前記上型と下型の前記加熱手段との接触部にそれぞれ凹部を設け、冷却時に前記凹部近傍の光学素子成形体の冷却速度を他の部分よりも遅くすることを特徴とする光学素子成形用金型。
2. 成形用金型は光軸対称の光学素子を成形する金型であって、上型及び下型に加熱手段と当接する平面部を有し、この平面部に前記光軸に対して軸対称形の凹部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。
3. 成形用金型は光軸対称の凹メニスカスレンズを成形する金型であって、上型及び下型に加熱手段と当接する平面部を有し、この平面部に前記光軸に対して軸対称形の凹部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。
4. 上型及び下型と、前記上型及び下型と嵌合する胴型とによりその上型と下型の間に供給された光学素子素材から光学素子成形体を成形する光学素子成形用金型であって、光学素子成形体の冷却時にこの光学素子成形体を強制冷却する冷却気体を噴きつけるための貫通孔を前記胴型に設けたことを特徴とする光学素子成形用金型。
5. 光学素子成形体に冷却気体を噴きつけるための貫通孔は複数個からなることを特徴とする請求項４に記載の光学素子成形用金型。
6. 胴型に冷却気体排出用の貫通孔を設けたことを特徴とする請求項４乃至請求項５に記載の光学素子成形用金型。
7. 加熱手段により加熱される一対の上型と下型の間に供給された光学素子素材を加圧し、光学素子成形体を成形する光学素子の製造方法であって、前記上型と下型の前記加熱手段との接触部にそれぞれ設けた凹部により、冷却時に前記凹部近傍領域の光学素子成形体の冷却速度を他の領域部分よりも遅くすることを特徴とする光学素子の製造方法。
8. 凹部により冷却速度が遅くされる領域は光学素子成形体の光軸中心部であることを特徴とする請求項７に記載の光学素子の製造方法。
9. 光学素子成形体は軸対称の凹メニスカスレンズ成形体であり、凹部により冷却速度が遅くされる領域は前記軸対称の凹メニスカスレンズ成形体の光軸中心部であることを特徴とする請求項７に記載の光学素子の製造方法。
10. 上型及び下型と、前記上型及び下型と嵌合する胴型とによりその上型と下型の間に供給された光学素子素材から光学素子成形体を成形する光学素子の製造方法であって、光学素子成形体の冷却時に前記胴型に設けられた貫通孔から冷却気体を噴きつけて強制冷却することを特徴とする光学素子の製造方法。
11. 冷却時の冷却気体の噴きつけは胴型に形成した複数個の貫通孔から行うことにより、冷却気体の対流によって光学素子成形体を均一に冷却することを特徴とする請求項１０に記載の光学素子の製造方法。

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