JP2005206389A - 光学素子の成形方法及び成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子をプレス成形する際の時間を短縮すると共に、中心肉厚のバラツキを軽減する。
【解決手段】加熱軟化されたガラス素材３を一対の成形型１，２によってプレスすることにより所望の光学素子とする。ガラス素材３を実際にプレスする前に、プレスされた光学素子の中心肉厚が所望の肉厚となるように、シミュレーションによりガラス素材３の形状、成形型１，２の加熱温度及びガラス素材３へのプレス圧を予測する予測工程と、予測したガラス素材３の形状、加熱温度及びプレス圧によってガラス素材３を実際にプレスするプレス工程と、プレスされた光学素子の中心肉厚を検出し、検出した中心肉厚に基づいて光学素子が良品か否かを判別する判別工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、カメラ、ビデオ、顕微鏡等の光学機器の光学系に使用される球面レンズ、非球面レンズ、自由曲面プリズムや自由曲面レンズ等の光学素子を高精度に成形するための成形方法及び成形装置に関する。

特開平７−４８１３３号公報には、光学素材の中心肉厚寸法を測定する測定部と、光学素材を加熱する加熱部と、光学素材を押圧する成形部と、押圧後の光学素材を冷却する徐冷部と、押圧及び冷却後における形状変化した光学素子の中心肉厚寸法を測定する測定部と、測定されたデータを受けて加熱温度、成形の押圧力及び押圧時間を自動設定する制御部とを有する成形装置が開示されている。この成形装置では、光学素材と成形された光学素子との中心肉厚の変化量から適切な加熱温度、押圧力及び押圧時間の成形条件を自動的に導き出して成形条件として設定している。成形条件の設定の際は、連続生産開始前に複数個の試し成形を行い、光学素材と成形された光学素子との中心肉厚変化量から適切な名種の成形条件を自動的に導き出すものである。

一方、特許第３１８４５８４号公報には、一対の成形型を所定距離で位置決め停止するとともに、この停止状態で上下一対の型及びガラス素材を同時に強制冷却する成形装置が開示されている。
特開平７−４８１３３号公報 特許第３１８４５８４号公報

特開平７−４８１３３号公報の成形装置では、連続生産開始前に複数個の試し成形を行う必要があるため、無駄となるレンズの個数が多くなっている。また、成形された光学素子の測定を行うことにより、その成形条件をフイードバックして設定するため、成形条件、例えば温度を変化させるときは、温度が安定するまでの時間を設ける必要があり、時間ロスが多くなっている。さらに、成形後の光学素子の中心肉厚が安定しない場合は、いつでも自動演算を行うため、成形の度に条件が変わり、品質もバラツキが生じる問題を有している。

特許第３１８４５８４号公報の成形装置では、所定距離での位置決め停止状態で上下型及びガラス素材を同時に強制冷卸するため、停止部材が必要となっている。また、停止部材に対し、加熱・冷却を繰り返す必要があり、これらの繰り返しによって停止部材の形状が変形するため、耐久性が小さいものとなる問題を有している。これに対し、停止部材を耐久性のある材料によって作製する場合には、加熱・冷却での収縮量が小さく実用的でないと共に、高価であり、消耗品としての使用には不適切となっている。

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、光学素子の成形の度に温度コントロールを行うための時間ロスをなくすことができ、しかも高温度下での部材の膨張や温度バラツキなどによる誤差要因を排除して中心肉厚のバラツキを軽減することができ、さらには成形の良品・不良品の判別を行うことが可能な光学素子の成形方法及び成形装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明の光学素子の成形方法は、加熱軟化されたガラス素材を一対の成形型によってプレスすることにより所望の光学素子とする光学素子の成形方法において、前記ガラス素材を実際にプレスする前に、プレスされた光学素子の中心肉厚が所望の肉厚となるように、シミュレーションにより前記ガラス素材の形状、前記成形型の加熱温度及び前記ガラス素材へのプレス圧を予測する予測工程と、予測したガラス素材の形状、前記加熱温度及び前記プレス圧によってガラス素材を実際にプレスするプレス工程と、プレスされた光学素子の中心肉厚を検出し、検出した中心肉厚に基づいて光学素子が良品か否かを判別する判別工程と、有することを特徴とする。

請求項１の発明では、光学素子の中心肉厚が所望の肉厚となるようにシミュレーションを行い、シミュレーションの結果に基づいてプレスを行うため、中心肉厚のバラツキを軽減することができ、成形に要する時間を短縮することができる。また、判別工程では、中心肉厚に基づいて光学素子の良否を判別するため、良品のみの抽出ができ、品質を安定させることができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の光学素子の成形方法であって、前記予測工程は、プレスされた光学素子の中心肉厚に加え、前記光学素子の余剰肉厚が所望の肉厚になるように、シミュレーションにより前記ガラス素材の形状、前記成形型の加熱温度及び前記ガラス素材へのプレス圧を予測することを特徴とする。

請求項２の発明では、中心肉厚に加えて、余剰肉厚をシミュレーションのデータとするため、高精度のシミュレーションを行うことができる。

請求項３の発明は、請求項１に記載の光学素子の成形方法であって、前記予測工程は、プレスされた光学素子の中心肉厚に加え、前記光学素子の中心肉厚部と前記光学素子の外径肉厚部に生じる反力が所望の値になるように、シミュレーションにより前記ガラス素材の形状、前記成形型の加熱温度及び前記ガラス素材へのプレス圧を予測することを特徴とする。

請求項３の発明では、中心肉厚に加えて、光学素子の外径肉厚部の反力をシミュレーションのデータとするため、高精度のシミュレーションを行うことができる。

請求項４の発明の光学素子の成形装置は、加熱軟化されたガラス素材を一対の成形型によってプレスすることにより所望の光学素子とする光学素子の成形装置において、前記成形型を所定の温度に加熱する加熱手段と、前記成形型を所定のプレス圧で駆動する駆動手段と、前記ガラス素材を実際にプレスする前に、プレスされた光学素子の中心肉厚が所望の肉厚となるように、シミュレーションにより前記ガラス素材の形状、前記成形型の加熱温度及び前記ガラス素材へのプレス圧を予測し、前記加熱手段及び前記駆動手段を予測した値に設定する制御手段と、予測した形状のガラス素材が前記加熱温度及びプレス圧によって実際にプレスされたときの光学素子の中心肉厚を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の検出結果に基づいて前記光学素子が良品か否かを判別する判別手段と、を具備することを特徴とする。

請求項４の発明では、制御手段がシミュレーションを行い、シミュレーションの結果に基づいてプレスを行うため、中心肉厚のバラツキを軽減することができ、成形に要する時間を短縮することができる。また、判別手段が位置検出手段の検出結果に基づいて光学素子の良否を判別するため、良品のみの抽出ができ、品質を安定させることができる。

本発明の光学素子の成形方法によれば、光学素子の中心肉厚が所望の肉厚となるようにシミュレーションを行い、シミュレーションの結果に基づいてプレスを行うため、中心肉厚のバラツキを軽減することができ、成形に要する時間を短縮することができ、しかも、判別工程では、中心肉厚に基づいて光学素子の良否を判別するため、良品のみの抽出ができ、品質を安定させることができる。

本発明の光学素子の成形装置によれば、シミュレーションを行う制御装置及び光学素子の良否判別を行う判別手段を備えるため、光学素子の中心肉厚のバラツキを軽減することができ、成形に要する時間を短縮することができると共に、良品のみの抽出ができ、品質を安定させることができる。

以下、本発明を図示する実施の形態により具体的に説明する。なお、各実施の形態において、同一の部材には同一の符号を付して対応させてある。

（実施の形態１）
図１〜図１０は、本発明の実施の形態１を示し、図１は成形装置の全体構成の断面図、図２は成形型部分の断面図、図３は成形のフローチャート、図４は成形の良否を判別するための断面図、図５は良否判別の特性図、図６は成形型の形状と光学素子の中心肉厚との関係を示す特性図、図７は成形型の温度と光学素子の中心肉厚との関係を示す特性図、図８は形成時の形状変化を示す断面図、図９は成形の際の温度変化を示す特性図、図１０は良否判別の特性図である。

この実施の形態の成形装置は、図１及び図２に示すように、一方の成形型としての超硬材からなる上型１、他方の成形方としての下型２を有している。これらの成形型１，２は、商品名「Ｌ−ＬＡＭ６０」からなる光学素材３（以下、ガラス材）を上下からプレスすることにより、光学素子の形状に転写させる。この場合、上型１は、ＳＵＳ３１６Ｌ等からなる上軸５に全面接触した状態で取り付けられている。

上軸５の上部には、上軸５を上下に駆動する駆動手段としてのプレスシリンダ９が配置されている。プレスシリンダ９は例えば、最大２００ｋｇｆの圧力まで可能なエアシリンダが使用されている。プレスシリンダ９は、エア圧と切り替え弁とによって駆動されるものである。ガラス材３へのプレス圧の制御はエア圧を変化させるプレス圧制御手段としてのエア圧変更弁を用いることにより可能である。ガラス材３の加圧は、上軸５から上型１を介してガラス材３へ圧力を作用させることにより行われる。

プレスシリンダ９によって駆動される上軸５の上下移動の位置を表示する位置検出手段としてのリニアゲージプローブ（以下、リニアセンサとも記載する）１０が上軸５の側面に備え付けられている。このリニアゲージプローブ１０には、同プローブ１０からの位置情報を表示するリニアゲージプローブ１２（０．００１ｍｍの測定）が接続されており、その情報が制御手段としてのパーソナルコンピュータ１４に送出されるようになっている。この場合、コンピュータ１４は成形された光学素子（以下、レンズとも記載する）の中心肉厚が所望の良品であるか否かを判別する判別手段としても機能するものである。

上型１及び下型２の周囲には、これらの型１、２を加熱する加熱手段としてのヒータ７が上下型１，２を囲むように配置されている。ヒータ７は上下型１，２が６５０℃となるように加熱する出力を有している。

下型２の底面には下軸６が取り付けられており、下軸６の側面にはスリット１１が延びている。スリット１１は上述したリニアゲージプローブ１０と接点を設けるためのものであり、リニアゲージプローブ１０の真下に位置している。下型２の内部には、温度検出手段としての熱電対８が設けられている。熱電対８からの情報は、温度調節器１３を介してパーソナルコンピュータ１４に送出され、パーソナルコンピュータ１４は下型２が設定温度を維持するように、温度調節器１３を介してヒータ７を制御する。なお、上下型１，２の冷却はヒータ７の出力を０にして熱源を遮断することにより行われる。

パーソナルコンピュータ１４は、成形前のガラス材３からプレス中のガラス材３の塑性変形を解析できる有限要素法の解析ソフトがインストールされている。このソフトでは、上下型１，２を加熱する温度、成形前のガラス材３の形状（すなわち、上下面の形状、中心肉厚、外径肉厚ｔ０、硝材の種類など）、上下型１，２の形状（すなわち、上下面の形状、非球面式、型形状の線形式、変曲点、光学有効機能面の面積など）、成形後の光学素子の形状（すなわち、レンズ中心肉厚、外径肉厚、体積、光学式など）を入力して初期条件とする。シミュレーションでは、上下型温度とプレス圧力を設定し、上型１と下型２との中心距離が最終のレンズ中心肉厚まで変位することによりガラス材３の塑性変形が算出される。なお、シミュレーションを行うパーソナルコンピュータは成形装置と共有されていなくても良いものである。

図３は、この実施の形態の成形方法を説明するフローチャートである。パーソナルコンピュータ１４にインストールされている解析ソフトに、上下型１，２の形状、ガラスの特性値（ｔｇ点温度、Ａｔ点温度、降伏曲線、線膨張係数、ヤング率など）、成形されるレンズ４（すなわち、目標とする光学素子）４の上下面形状（線形式、非球面式、変曲点、２次元で計算する場合はＹ＝Ｘ式）、上下型１，２の材料特性（線膨張係数、密度、強度特性）、成形されるレンズの規格値（レンズ中心肉厚公差、成形面の形状公差）を入力する（ステップＳ１）。解析においては、ガラスの材料モデルを塑性だけでなく超弾性、粘弾性を使用することは可能である。

この実施の形態では、ガラス材３であるＬ−ＬＡＭ６０材の特性値を入力し、規格値（±０．０３ｍｍ）としては、型温度（５８０℃）のバラツキ（±２℃）がどの程度まで許容できるかが解る。この規格値に合わせるように次の数値を予側して入力する。すなわち、上下型の温度、成形前のガラス材３の形状（中心肉厚、外径肉厚（光学有効面外形））、ガラス材３の径、プレス圧力を設定し、解析を行う（ステップＳ２）。

この解析により、上下型１，２間の移動に伴うレンズ中心肉厚、レンズ外径肉厚、上下型１，２が移動することに起因した塑性変形により生じる余剰肉厚の算出を行う（ステップＳ３）。

そして、この解析結果から型形状がガラス材３へ確実に転写されているかの判断を行う（ステップＳ４ ）。

転写性が良好であればシミュレーションが終了し（ステップＳ５）、その型温度、ガラス形状、プレス圧力を設定し、設定した条件に基づいて成形を行う（ステップＳ７）。

一方、転写性が不良の場合には、ステップＳ２に戻って型温度、成形前ガラス形状、プレス圧力の設定を行った後、シミュレーションを行い、転写性が良好となるまで繰り返す。このトライは例えば、１６〜１７回行うことにより転写性良好の結果を得ることができる。

ステップＳ６では、図２より成形時のレンズ中心肉厚ｔ1が再現されているかを判別するために、成形されたレンズを測定すべくリニアゲージの値を設定する。設定幅は成形レンズの規格幅（±０．０３ｍｍ）を備えた値となるように入力し、その値から外れる場合はエラーにより不良品と判断して、成形を終了する。シミュレーションで得られた条件で成形を行い、成形当初の数個のレンズに対してはその測定を行って実際の規格内か否かを判断する（ステップＳ８）。そして、規格内の場合には、そのまま成形を続けて良品数を確保する。規格外の場合には、型温度、成形前のガラス形状、プレス圧力の設定へ戻り、３者のいずれかを補正して規格内になるまで繰り返す（ステップＳ１０）。

図４は、転写性が良好であるか否かを判断する条件を示す。成形前のガラス材３は厚さｔ０の円柱形となっている（図４（ａ）参照）。なお、図４において、ガラス材３を升目状とした理由は、塑性変形を解りやすくするためである。

上型１は、成形面の形状が曲率半径Ｒ１０ｍｍ、直径φ１４ｍｍの凸型となっている。下型２はほとんどフラット形状であるが、曲率半径Ｒ１００ｍｍ、外径１４ｍｍの凸型となっている。成形されるレンズの設計値は、上下型１，２の中心距離（ａｂ’）がレンズ中心肉厚ｔ１（３ｍｍ）となる値であり、ｅ’ｂ’ｄ’ｃａｆで囲まれた形状である（図４（ｂ）参照）。

成形前のガラス材３の当初の肉厚ｔ０に対し、上型１におけるｅｂｄによって中心肉厚がｔ１＝ａｂ’となる。このため成形されたガラス材３はｅ’ｂ’ｄ’ｃａｆに塑性変形してプレス中のガラス４となる（図４（ｃ）参照）。このとき、上型１の中心部が凸状のため、ガラス４は型中心より外径へ広がる方向に流動する。この流動によって、ガラス４の外周が余剰ガラスによって膨れ上がりレンズ外径肉厚ｔ２（ｃｄ’）よりもさらに△ｔだけ肉厚となる（図４（ｄ）参照）。この△ｔがおおよそ０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度になった状態においては、ｄ’点の転写性が確保された状況と判断することができる。この判断基準は、過去数百回成形を行ったデータに基づくものである。ここでの転写径は、ｅ’ｄ’の長さ（１４ｍｍ）を示している（図４（ｅ）参照）。

図５は、上型１が下型２の方向へ移動することにより、プレス時間が変化する態様を示している。Ｓ０は上型１のｄ点がガラス材３に接触するまでの時間であり、このときまではａｂ’にだけ応力が作用する。Ｓ０を通過した時間からｃｄ’にも圧力が加わりガラスが型形状に転写される。圧力設定は２００ｋｇｆである。Ｓ０から時間△Ｓが経過すると、レンズ中心肉厚がｔ１となり、レンズ外径肉厚がｔ２となる。

図５において、△ｔの量を増やす必要があるときは、成形前のガラス材３の肉厚ｔを大きくするなどの手法により可能である。また、△ｔが大きすぎると成形前のガラス材３のコストと成形後の芯取量が増加するため、必要最小限にすることが望ましい。△ｔが生じないのは、ｔ０の値が小さい場合である。

時間△Ｓのときにおけるｃｄ’やａｄ’の傾きは水平に近い方が良好であり、成形中にレンズ中心肉厚ｔ１が決定する時間的な変動が少ないことが望ましい。このｃｄ’曲線やａｄ’曲線は、ガラス材３の特性と加熱温度、プレス圧力及び上下型１，２の形状により変化する。すなわち、ガラス材３の温度、上下型１，２の温度が高くなることにより降伏応力が小さくなるものであり、そのデータに基づいて塑性変形解析を行うことができる。

図６は、かかるデータの変化を示す。プレス中のガラス４は、図８に示すように、成形前のガラス材３におけるＡＢＣＤＥＦからＡＢ’Ｃ’Ｄ’Ｅ’Ｆ’となる。このときのＢ→Ｂ’への移動では、型の径φと型の曲率Ｒの相違によりプレス速度が変化する。

図６における曲線Ｚ１は、Ｒ＝１０ｍｍ、φ＝１４ｍｍを基準としたｔ１＝３．００ｍｍ、ΔＳ＝１２０ｓｅｃ、ｔ０＝６．００ｍｍの場合であり、Ｒ＝５ｍｍ、φ＝６ｍｍの形状のガラスでは、曲線Ｚ２で示すように、同じ粘度（型温度、プレス圧力は一定）でも曲線Ｚ１よりも３／４の時間（９０ｓｅｃ）でレンズ中心肉厚ｔ１に到達する。さらに肉厚ｔ１から短時間で公差（−０．０３ｍｍ）をも超えてしまう。これに対し、Ｒ＝１００ｍｍ、φ３０ｍｍでは、曲線Ｚ３で示すように、ガラス粘度が同じでもレンズ中心肉厚に到達するまでの時間が２４０ｓｅｃとなる。

以上のレンズの中心肉厚への到達時間の変更は、型温度を変化させることによっても可能である。図７は、上下型１，２の温度を変化した場合の態様を示すものであり、曲線Ｚ４は、上下型１，２の温度が５８０℃、曲線Ｚ５は５９０℃、曲線Ｚ６は５７０℃の場合である。

以上のように設定された条件に基づき、この実施の形態では、成形されるレンズ４の形状がＲ＝１０ｍｍ、φ＝１４ｍｍ、ｔ１＝３ｍｍ、ｔ２＝４ｍｍの場合、成形型温度５８０℃、プレス圧力２００ｋｇｆ、成形前のレンズ材３の形状ｔ０＝６ｍｍ、径φ１４ｍｍとなる。

図９は、この条件により成形を行った特性図を示す。図１に示すように、成形前のレンズ材３を下型２上にセットし、上型１を成形前のレンズ材３に接触させる。上型１と下型２とによってガラス材３を挟むことにより、上下型１，２からの熱を効率良くガラス材３に伝達する。

ガラス材３をセットした後、パーソナルコンピュータ１４が下型２の熱電対８が５８０℃になるように温度調節器１３に指令信号を出力して、上下型１，２を加熱する。上下型１，２の温度が５８０℃に到達したとき、上下型１，２の温度が安定させるために同温度を１００ｓｅｃ程度保持する。１００ｓｅｃ保持した後、上軸５とプレスシリンダ９とにより設定値２００ｋｇｆでガラス材３をプレスする。プレス時間は、上述したシミュレーションによって算出されているが、プレス終了をリニアセンサ１０とスリット１１との接触位置を検知することにより行う。

リニアセンサ１０及びスリット１１の検知位置は、レンズ中心肉厚ｔ１の値に設定されている。さらに公差幅±０．０３ｍｍを設定していることにより、成形されたレンズに転写不良もしくはレンズ中心肉厚不良が発生した場合にも対応が可能となっている。リニアセンサ１０がスリット１１と接触し、レンズ中心肉厚ｔ１のとき（プレス時間約１２０ｓｅｃ）、ヒータ７の出力はＯＦＦとなる。これに限らず、プレス時間１００ｓｅｃでヒータをＯＦＦにして冷却しても良い。

時間１００ｓｅｃのプレス位置をｔ１＋α（α＝１．２ｍｍ）に設定し、１００ｓｅｃ後からガラスを冷却して加圧状態を保ちながらガラスを固化させることにより、ガラスへの圧力を流動変形時よりも大きくすることができ、これにより転写性をさらにより良好とすることができる。リニアセンサ１０の位置がｔ１になったとき、上型１、上軸５、プレスシリンダ９がガラスから離型し、下型２の温度が３０℃になったときに成形されたレンズを取り出す。なお、レンズを取り出す温度は、離型動作後であれば品質に影響ないものである。

図１０は、リニアゲージ１０とレンズ中心肉厚公差との関係を示す。この実施の形態では、リニアセンサ１０を用いて不良検出を行うものである。図１０における成形品数は４０サンプルであり、レンズ中心肉厚公差３．００±０．０３ｍｍに対して成形時にエラーを生じさせ不良品を排除している。これは成形工程でシミュレーションと実成形との間で対応できない部分をカバーするものである。

以上の実施の形態では、シミュレーションにより成形型の温度、成形前のレンズの形状、成形時のプレス圧を設定するため、実際の成形を行うことなくおおよその値を予想することができる。そのため、成形に要する時間とコストを大きく削減することが可能となっている。また、シミュレーションで解析された条件で成形を行っても予想通りとはならない場合であっても、誤差要因をリニアセンサのレンズ中心肉厚によって判別することにより、良品のみを抽出することが可能となる。これにより、従来のように成形の度、温度を変化させる必要がなく、品質が安定し、、成形検討期間も格段に短縮することができる。さらに、余剰ガラス量とガラスの転写性を導くことにより、比較的簡単にシミュレーションでの検討を行うことができ、これにより、開発工数を約２０％削減することが可能となっている。

（実施の形態２）
図１１〜図１５は、本発明の実施の形態２を示し、図１１は成形装置全体の断面図である。

図１１に示すように、一対の成形型を構成する上型１及び下型２が対向状態で配置されている。上型１の周囲には加熱手段としてのヒータ７ａが巻き付けられると共に、上型１の内部には熱電対８ａが設置されている。上型１は上べース１８に固定されており、上ベース１８には位置検出手段としてのリニアゲージプローブ１０が取り付けられている。ヒータ７ａ及び熱電対８ａは温度調節器１３ａに接続され、さらに温度調節器１３ａを介してパーソナルコンピュータ１４に接続されている。

下型２は下軸６上に取り付けられている。下軸６の内部は、温度上昇を軽減するための冷却水が常時流れる構造となっている。下型２の周囲には、加熱手段としてのヒータ７ｂが巻き付けられると共に、下型２の内部中央部分には熱電対８ｂが配置されている。熱電対８ｂ及びヒータ７ｂは温度調節器１３ｂに接続され、さらにパーソナルコンピュータ１４に接続されている。パーソナルコンピュータ１４は、実施の形態１と同様に、制御手段及び判別手段を構成するものである。

成形前のガラス材３は搬送ホルダ１５に搭載されて上下型１，２の間に搬送される。このため、搬送ホルダ１５には供給アーム１６が連結されている。この実施の形態において、ガラス材３はガラス材ヒータ１７により加熱され、軟化状態になった時点で上下型１，２の間に搬送される。

この実施の形態においても、パーソナルコンピュータ１４の解析により、成形する型１，２の温度、圧力、搬送ホルダ１５の形状及びガラス材３の形状を決定する。この場合、データに蓄積されている過去の成形パターンおよび解析により予め結果を予測する。この実施の形態では、図１２に示すように、ガラス材８種×レンズの形状５種×レンズ径４種×型形状５種×ホルダ形状３種の合計３００種のデータを用いるものである。これにより、やみくもに条件を設定することなく、ある程度の見通しを立てることが可能となる。

成形されるレンズの形状や大きさ等の条件にある程度似ている２〜３種のデータを図１２のデータ群から選択し、パーソナルコンピュータに入力する。データとしては、実施の形態１と同様に、商品名「Ｌ−ＢＡＬ４２」からなるガラス材３の特性値、成形後のレンズの形状（例えば、上面の曲率ｒ１＝１００ｍｍ、下面の曲率ｒ２＝１２０ｍｍ、径φ＝３０ｍｍ、レンズ中心肉厚ｔ１＝２．００±０．０３ｍｍなど）、上下型１，２の材料特性（例えば、線膨張係数、密度、強度特性など）、成形されるレンズの規格値（例えば、レンズ中心肉厚公差、成形面の形状公差）であり、これらのデータをパーソナルコンピュータ１４に入力する。

そして、この規格値が求められるように成形温度、成形前のガラス材３の形状（レンズ中心肉厚＝２００ｍｍ、レンズ外径肉厚（光学有効面外形））、ガラス材の径３０ｍｍ、プレス圧力２５０ｋｇｆなどの設定を行い、解析する。この解析に基づいて、上下型１，２の移動に伴うレンズ中心肉厚、レンズ外径肉厚、上下型が移動することに起因した塑性変形によって生じる余剰肉厚を算出する。そして、この結果から型形状がガラスへ確実に転写されているかの判断を行う。

転写性が良好の場合には、シミュレーションが終了し、転写性の良好な型温度、ガラス形状、プレス圧力の設定を行い、成形に移行する。転写性が不良の場合には、型温度、成形前のガラス材３の形状、プレス圧力、搬送ホルダ１５の形状の再設定を行い、これに基づいてシミュレーションを行う。このシミュレーションは、転写性が良好となるまで繰り返す。このとき、転写性をさらに向上させるために、ガラス材３の応力により判別することを追加して検討する。これらの解析は、過去のデータから推測されるため、シミュレーションを５回〜７回程度行うことにより、型温度５９０℃、プレス圧力２５０ｋｇｆ、ガラス材３の外径３０ｍｍ、ガラス材のｒ１＝１０５ｍｍ、ｒ２＝１１０ｍｍ、搬送ホルダ１５の内径３０．１ｍｍとの結果を得ることができる。

図１３は、プレス成形の際の変化を示す。図１３において、外径点ｃ’、点ｄ’、点ｅ’、点ｆ’のガラス材３に対する接触圧力がｄ’ｆ＝ｃ’ｆ＝０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上生じたとき、及び中心点ａ、点ｂ’のガラス材３に対する接触圧力も０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上生じたときに外径と中心肉厚及び外径肉厚の転写性が確保されたと判断する。なお、それぞれの点における接触圧力は、パーソナルコンピュータ１４に入力した有限要素法の解析ソフトで求めることが可能である。

接触圧力が０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の場合は、転写性が不十分となる。このことは多くの実験により確認されている。接触圧力が５ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える場合には、成形されたレンズに内部歪が生じる。この内部歪は、成形するレンズの形状、大きさによって異なるものである。これに対し、歪除去のためのアニール（ガラス材を再度Ｔｇ転移点温度付近まで４時間加熱し、さらに冷却速度を２℃／ｓｅｃのスピードで徐冷し、内部歪を除去する工程）を施すとレンズ形状が大きく変化してしまう場合があるので好ましくない。これについては、過去の実験から明らかである。従って、アニールを施しても形状がさほど変化しない応力が良好である。

レンズ中心肉厚は設計値のレンズ公差、図面によって把握できるため、上下型１，２の中心の最終距離がレンズ中心肉厚にあるような設定を行って成形前のガラス材３の中心肉厚を塑性変形させる。このとき、成形前のガラス材３形状の中心肉厚が、成形するレンズの中心肉厚となる移動量の時間内に上下型１，２の光学機能面にガラスが充填されることが重要になる。必ずしも上下型１，２の径が光学機能面外径とは限らないためである。

ガラス材３への応力を変更するには、ガラス材３の側面を囲む搬送ホルダ１５の径の変更、もしくはガラス材３の搭載形状の変更によって行う。すなわち、例えばホルダ１５の径（ガラス材３を載置する径）を大きくするまたはガラス材３の肉厚を小さくすることによりガラス材３への応力が小さくなるものである。この実施の形態では、レンズ径をφ３０±０．０３ｍｍ、搬送ホルダ１５の内径をφ３０．１〜３０．２ｍｍとした。また、搬送ホルダ１５の形状は、ガラス材３の側面全てを覆うものではなく、ガラス材３の外径肉厚ｔ２＝３ｍｍに対して搬送ホルダ３の側面は１ｍｍ、２ｍｍ程度、余剰ガラスが自由に流動するフリー状態となっている。

以上に基づいてレンズの成形を行い、成形されたレンズを抽出する。すなわち、図１１及び図１４に示すように、ガラス材３を搬送ホルダ１５に搭載した後、搬送ホルダ１５を搬送アーム１６にセットする。搬送ホルダ１５内のガラス材３はガラス材ヒータ１７により９５０℃雰囲気の中で１５ｓｅｃ加熱される。加熱されたガラス材３は、搬送アーム１６によりガラス軟化点温度以下５３０℃〜５８０℃に加熱された上下型１，２の間に搬送され、プレスシリンダ９により下軸６が上昇して下型２がガラス材３を持ち上げ、上型１へと当て付けてプレスを行う。図１４（ａ）はプレス時における温度分布、（ｂ）はプレス終了時における温度分布である。

プレスを行うとガラス材３が変形してガラス中心肉厚ｔ１へと変化する。ガラス中心肉厚ｔｌに到達したことをリニアゲージセンサー１０とスリット１１の接触表示により識別し、その情報をパーソナルコンピュータ１４へ出力する。ガラス材３はその温度より低い温度となっている上下型１，２によってプレスされるため、プレスと同時に冷却される。またレンズ中心肉厚ｔ１のとき、下軸６の温度が６００〜５５０℃の高温状態では熱膨張により全体の寸法が変化する。このため、ｔ１を判別するときにおける下軸６の温度は２００℃に冷卸されていることが望ましい。下軸６の温度が２００℃のとき、レンズ中心肉厚ｔ１が決定されるように、さらに上下型１，２の温度の設定を試みることも可能であり、これにより、ｔ１のバラツキを軽減することができる。

プレスされたレンズ４はレンズ中心肉厚ｔ１に到達し、下軸６の温度が２００℃以下になったときに下軸６が降下してレンズ４から離型する。離型されたレンズ４は搬送ホルダ１５と共に搬送アーム１６により上下型１，２の間から退避する。

図１５は、成形されたレンズ４の中心肉厚ｔ１の分布を示す。成形数は１２０個である。図１５に示すように、成形されたガラス中心肉厚ｔ１が略２．００±０．０３ｍｍに収まり、成形後の転写性も良好となっている。また、ｔ１が規格外に外れたものは、リニアセンサ１０からリニアゲージアンプ１２よりエラーとしてパーソナルコンピュータ１４に送られ、不良品としては取り扱われる。

この実施の形態では、シミュレーションの結果をデータベースに蓄積し、または過去の成形実績を蓄積するため、データベースとして新しいレンズ形伏を成形する際に解析回数が軽減され、開発工数が軽減されてスピーディな取り組みが可能となる。また、ガラス材３の側面に搬送ホルダ１５を用いることにより、ガラス材３に加わる接触圧力を向上させることができ、転写性を向上させることができ、さらに転写性も確認することができる。さらに、型への転写性を接触圧力によって判断するため、成形されるレンズの転写性が向上する。

実施の形態１の成形装置の全体断面図である。 成形型部分の断面図である。 成形のフローチャートである。 （ａ）〜（ｅ）は成形の良否を判別するための断面図である。 （ａ）、（ｂ）は良否の判別を行う特性図である。 成形型の形状と光学素子の中心肉厚との関係を示す特性図である。 成形型の温度と光学素子の中心肉厚との関係を示す特性図である。 形成時の形状変化を示す断面図である。 成形の際の温度変化を示す特性図である。 実施の形態１における良否判別の特性図である。 実施の形態２の成形装置の全体断面図である。 実施の形態２のデータを示す正面図である。 （ａ）〜（ｃ）は成形工程を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は成形における温度分布を示す断面図である。 実施の形態２における良否判別の特性図である。

符号の説明

１ 上型
２ 下型
３ ガラス材
４ レンズ
５ 上軸
６ 下軸
７ ヒータ
１４ パーソナルコンピュータ

Claims (4)

1. 加熱軟化されたガラス素材を一対の成形型によってプレスすることにより所望の光学素子とする光学素子の成形方法において、
   前記ガラス素材を実際にプレスする前に、プレスされた光学素子の中心肉厚が所望の肉厚となるように、シミュレーションにより前記ガラス素材の形状、前記成形型の加熱温度及び前記ガラス素材へのプレス圧を予測する予測工程と、
   予測したガラス素材の形状、前記加熱温度及び前記プレス圧によってガラス素材を実際にプレスするプレス工程と、
   プレスされた光学素子の中心肉厚を検出し、検出した中心肉厚に基づいて光学素子が良品か否かを判別する判別工程と、
   を有することを特徴とする光学素子の成形方法。
2. 前記予測工程は、プレスされた光学素子の中心肉厚に加え、前記光学素子の余剰肉厚が所望の肉厚になるように、シミュレーションにより前記ガラス素材の形状、前記成形型の加熱温度及び前記ガラス素材へのプレス圧を予測することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形方法。
3. 前記予測工程は、プレスされた光学素子の中心肉厚に加え、前記光学素子の中心肉厚部と前記光学素子の外径肉厚部に生じる反力が所望の値になるように、シミュレーションにより前記ガラス素材の形状、前記成形型の加熱温度及び前記ガラス素材へのプレス圧を予測することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形方法。
4. 加熱軟化されたガラス素材を一対の成形型によってプレスすることにより所望の光学素子とする光学素子の成形装置において、
   前記成形型を所定の温度に加熱する加熱手段と、
   前記成形型を所定のプレス圧で駆動する駆動手段と、
   前記ガラス素材を実際にプレスする前に、プレスされた光学素子の中心肉厚が所望の肉厚となるように、シミュレーションにより前記ガラス素材の形状、前記成形型の加熱温度及び前記ガラス素材へのプレス圧を予測し、前記加熱手段及び前記駆動手段を予測した値に設定する制御手段と、
   予測した形状のガラス素材が前記加熱温度及びプレス圧によって実際にプレスされたときの光学素子の中心肉厚を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段の検出結果に基づいて前記光学素子が良品か否かを判別する判別手段と、を具備することを特徴とする光学素子の成形装置。

Images