JP2005247640A - 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】 胴型に上下型を挿入する際の上下型とのクリアランスを確保して、胴型と上下型の嵌合を容易にし、しかも成形時の上下型相互の位置ズレを最小限に抑えることが可能な光学素子成型用金型を提供する。
【解決手段】 光学素子のプレス成形に用いる一対の上下金型及び胴型を備え、胴型４の中央部４ａの内径Ａと、両端部４ｂの内径Ｂが、Ｂ＞Ａの関係に形成され、中央部の内周面と両端部の内周面が滑らかに接続されている。あるいは、胴型１６は、少なくとも一方の外周端部に外周面全周に亘るテーパ部Ｃが設けられ、上下金型１４、１５は、胴型のテーパ部が設けられた外周端部に対応する外端部が胴型の外周近傍まで延在し、その延在部における胴型のテーパ部と対向する内面テーパ部Ｄが形成され、胴型のテーパ部と上下金型の内面テーパ部が密接に嵌合する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光学機器に使用されるレンズ、プリズム等の高精度光学素子を超精密成形法により安価に成形するための光学素子成形用金型、および光学素子の成形方法に関する。

近年、レンズ、プリズム等の光学素子の製造には、ガラスなどの光学素子用素材を研磨により加工する製造方法に代えて、光学素子素材を一定形状に予備加工した後、これを一対の上下型の間に供給し、加熱加圧により成形する製造方法（リヒートプレス法）が用いられている（例えば特許文献１参照）。

このような方法で精密な光学素子を成形する場合、胴型に摺動させた時の一対の上下型の位置ズレによりディセンターが発生した場合、成形した光学素子の収差に悪影響及ぼすことになる。特に近年は、光学素子の高ＮＡ化が進んでおり、上下型のディセンターは光学素子の収差に与える影響も非常に敏感である。

上記問題を解決するための対策として、例えば、図３Ａに示すように、胴型２１の内径に対する上型２２および下型２３の外径の差を１μｍ以内に精密加工することにより、成形時に発生する上下型のディセンターを最大２μｍに抑え、上型２２と下型２３の相互の位置ズレを最小限にする。

より改善するための対策として、図３Ｂに示すように、胴型２４と、上型２５および下型２６に、互いに熱膨張係数の異なる素材を用い、それにより、胴型２４に用いるＢ素材の熱膨張係数に対して、上型２５、下型２６に用いるＡ素材の熱膨張係数を大きくする。つまり、図示したＡ素材およびＢ素材の熱膨張係数について、Ａ素材＞Ｂ素材の関係、したがって、上下型＞胴型の関係が成り立っている。この熱膨張係数の関係を成立させることにより、常温時には、胴型２４と上下型２５、２６のクリアランスは２〜３μｍに確保され、昇温時には胴型２４と上下型２５、２６の熱膨張係数の相違により、胴型２４と、上下型２５、２６のクリアランスが１μｍ以内となる。従って、常温時には、胴型２４に対する上下型２５、２６のクリアランスを比較的大きく確保可能であり、一方、昇温時にはクリアランスが小さくなって位置ズレを最小限に制限する。それにより、胴型２４と摺動させた時の、上型２５と下型２６の間のディセンターを最小限に抑えることが可能となる。
特開昭５８−８４１３４号公報

しかしながらこのような金型構成で成形を行った場合、以下のような問題点が発生する。

図３Ａに示したように、胴型２１の内径と、上型２２および下型２３の外径とのクリアランスを１μｍに設定し、金型を量産的に加工した場合には、その加工誤差を１μｍ以内で行うことは、非常に難しい。例えば、２μｍの加工誤差が発生した場合には、上型２２と下型２３のディセンターは最大２μｍとなり、所望の光学素子の収差を満足することができなくなる。また、胴型２１の内径と上下型２２、２３の外径との差が１μｍと非常に小さいため、胴型２１と上型２２および下型２３を相互に摺動させることが困難であり、摺動が可能な場合でも、胴型２１の外径部に上下型が接触して上型２２、下型２３の成形面にチッピングが発生し易く、金型の寿命を短くする原因となる。

図３Ｂに示したように、胴型２４と上型２５、下型２６との間で熱膨張係数の異なる素材を用いて成形する場合は、上下型２５、２６と胴型２４との間に温度差が発生した場合は、特に上型が摺動不能になる、という問題がある。また、昇温時に最小のクリアランスとなるように金型構成を設計しても、胴型２４の内径と上型２５、下型２６の外径で位置を決定する金型構成では、最大２μｍのディセンターが発生する場合もある。従って、ディセンターに敏感な光学素子（１μｍのディセンターで＝数十ｍλ収差に影響）の場合は、収差を満足することができず歩留まりが悪化してしまう。

本発明は、胴型に上下型を挿入する際の上下型とのクリアランスを確保して、胴型と上下型の嵌合を容易にし、しかも成形時の上下型相互の位置ズレを最小限に抑えることが可能な光学素子成型用金型を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の構成の光学素子成形用金型は、光学素子のプレス成形に用いる一対の上下金型及び胴型を備え、前記胴型の中央部の内径Ａと、両端部の内径Ｂが、Ｂ＞Ａの関係に形成されている。

本発明の第２の構成の光学素子成形用金型は、光学素子のプレス成形に用いる一対の上下金型及び胴型を備え、前記胴型は、少なくとも一方の外周端部に外周面全周に亘るテーパ部が設けられ、前記上下金型は、前記胴型のテーパ部が設けられた外周端部に対応する外端部が前記胴型の外周近傍まで延在し、その延在部における前記胴型のテーパ部と対向する内面テーパ部が形成され、前記胴型のテーパ部と前記上下金型の内面テーパ部が密接に嵌合するように設定されていることを特徴とする。

上記第１の構成によれば、成形時には、胴型の中央部の径が小さいので、胴型内径と上下型の首径の差を例えば１μｍに保ちながら、胴型に上下型を挿入する際には、胴型両端部と上下型とのクリアランスを十分に確保して、成形面のキズ，チッピングを防ぐことが可能となる。

上記第２の構成によれば、胴型内径と上下型の首径のクリアランスを、例えば３μｍと大きく設定しても、胴型の外径部で上下型相互の位置決めを行うので、成形時の上下型のずれによる光学素子の上面と下面の位置ズレを最小限に抑えることができる。

本発明の第１の構成の光学素子成形用金型において、前記胴型の両端部の内周面の形状を、Ｒ面形状または面取り形状を有する構成とすることができる。また、前記一対の上下金型を形成する素材の熱膨張係数が、前記胴型を形成する素材の熱膨張係数に比べ同等、若しくは大きく設定された構成とすることができる。

本発明の第２の構成の光学素子成形用金型において、前記胴型及び上下金型に設けるテーパの角度は、前記胴型と上下金型の嵌合により、前記上下金型どうしの軸合わせ精度を十分に確保可能であり、且つ前記胴型と上下金型の分解が容易である角度に設定されることが好ましい。また、前記一対の上下金型を形成する素材の熱膨張係数が、前記胴型を形成する素材の熱膨張係数に比べ同等、若しくは小さく設定された構成とすることができる。

以下、本発明の実施の形態における光学素子用金型、および光学素子の成形方法について、図面を参照して具体的に説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１における光学素子用金型について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は、本実施の形態における光学素子成形装置を示す断面図、（ｂ）は同装置に用いられる光学素子成形用金型の胴型の断面図である。（ｃ）は光学素子の平面図、（ｄ）は正面図である。

図１（ａ）に示すように、光学素子成形用金型１は、上型２と、この上型２と同軸上に対向配置される下型３と、上型２および下型３を同軸上に保持するための胴型４から構成されている。上型２および下型３は、図１（ｃ）、（ｄ）に示す所望の形状の光学素子１０を得るための成形面を備えている。

胴型４は、図１（ｂ）に示すように、中央部４ａの内径Ａと両端部４ｂの内径Ｂが異なり、中央部内径Ａ＜両端部内径Ｂの関係になるように設定されている。一例として、両端部４ｂはＲ１０ｍｍの円弧により形成され、内径Ａがφ４．５ｍｍの中央部４ａと滑らかに繋がっている。光学素子の上面と下面の位置ズレを最小限に抑えるために、胴型４の中央部４ａの内径Ａと、上型２および下型３の首径のクリアランスは、例えば１μｍに設定される。光学素子成形用金型１を構成する上型２、下型３および胴型４は、タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とし、白金（Ｐｔ）系の合金保護膜により被覆されている。

６、７はプレスヘッドをそれぞれ示し、プレスヘッド６、７内には、ヒータ５が埋設されている。ヒータ５で加熱を行い、プレスシリンダー８で図中の矢印方向に加圧して成形を行う。

光学素子１０の硝種としては、例えば、ホウケイ酸系バリウムガラス（ガラス転移点温度Ｔｇ＝５１６℃、線膨張係数α＝９３×１０−７（１００−３００℃））を用いることができる。

次に、上述の光学素子成形装置を用いた光学素子の成形工程について、説明する。先ず、下型３の上面に、ボール状の光学素子素材１１を載置する。その後、胴型４を下型３にはめ合わせ、最後に上型２を摺動挿入する。この時胴型４の両端部４ｂは、上型２の首径より内径Ｂが大きいため、スムーズに挿入可能であり、胴型４と上型２の接触によるチッピングの発生は抑制される。

その後、光学素子成形用金型１を、図１（ａ）に示すように光学素子成形装置に載置する。次にプレスヘッド６、７をヒータ５で所定の温度まで昇温させて、光学素子成形用金型１内の光学素子素材１１を加圧成形可能な温度まで加熱する。光学素子素材１１が加圧可能な温度まで達したら、プレスシリンダー８に高荷重をかけ、隙間１２がなくなるまで加圧して変形は終了する。そして、取り出し可能な温度まで光学素子成形用金型１を冷却させ、光学素子成形装置より取り出す。この一連の作業を繰り返し行い、所望の形状を有する光学素子１０を作製する。

具体的な実施例について、成形条件の一例を示す。まず、光学素子素材１１を所望の体積で球形状に鏡面加工した物を準備し、上型２、下型３及び胴型４の内部空間に投入し、光学素子成形用金型１をプレス装置にセットした。次にプレスヘッド６、７の設定温度を５６０℃まで昇温して、その状態で２分間保持した後、プレスシリンダー８によって上型２を介して光学素子素材１１を１０００Ｎで押圧し、隙間１２がなくなるまで変形して成形を完了した。その後、プレスヘッドの上下ヒータ９をオフし、光学素子成形用金型１全体を冷却し、光学素子１０を取り出した。フィゾー型干渉計で透過波面収差を評価したところ、総合で０．０３λの性能を確認した。

この一連の作業を繰り返す中で、胴型４の中央部４ａの内径Ａに対して、両端部４ｂの内径Ｂを大きくすることによって、成形部では従来通り胴型４の内径Ａと上型２の首径のクリアランスを望ましい値である１μｍに保ちながら、容易に胴型４と上型２を摺動させることが可能であった。

（実施の形態２）
実施の形態２における光学素子成形用金型について、図２を参照しながら説明する。図２（ａ）は本実施の形態における光学素子成形装置の断面図、（ｂ）は光学素子成形用金型の断面図である。成形される光学素子は、実施の形態１の図１（ｃ）、（ｄ）に示したものと同様である。

図２（ａ）に示すように、光学素子成形用金型１３は、上型１４と、この上型１４と同軸上に対向配置される下型１５と、上型１４および下型１５を同軸上に保持するための胴型１６から構成されている。上型１４および下型１５は、図１（ｃ）、（ｄ）に示す所望の形状の光学素子１０を得るための成形面を備えている。

胴型１６は、図２（ｂ）に示すように、内径が一定であり、外周部は、中央部１６ａでは径が一定であり、両端部１６ｂではテーパＣが設けられている。上下型１４、１５は、胴型１６と嵌合させたときに胴型１６の両端部１６ｂに設けたテーパＣと噛み合うように、テーパＤの形状が加工されている。すなわち、例えば下型１５は、図２（ｂ）に示すように、その下端部にフランジ１５ａが設けられ、その外周部に突出部１５ｂが形成されて、突出部１５ｂの内面がテーパＤの形状を有する。上型１４も同様である。

上下型１４、１５と胴型１６を組み合わせたときに、胴型１６の外周部に設けたテーパＣに、上下型１４、１５に設けたテーパＤの形状が嵌合して、上下型１４、１５の胴型１６内部での位置が規制される。一例として、テーパＣの角度θは、６０゜とすればよい。形成するテーパ角度は、小さい方が嵌合精度が高くなる反面、上下型１４、１５が胴型１６に食い込んで、成形型を分解する場合に作業性が悪化する。従って、嵌合精度と作業性の両方を満足する角度に設定することが望ましく、検討結果では、角度θは４５゜以上であることが望ましい。

この様な金型構成とすることによって、光学素子成形後、成形素子の上面と下面の位置ズレは、従来と異なり胴型１６の外周部で決定される。従って、胴型１６と上下型１４、１５の首径のクリアランスを最小の値にする必要はなく、例えば３μｍに設定することができる。また、昇温後、胴型１６に設けたテーパＣと上下型１４、１５に設けたテーパＤの嵌合がより強固になるように、胴型１６の素材と上型１４、下型１５の素材の熱膨張係数に、胴型素材＞上下型素材の関係が成り立つように、異なる素材を使用することもできる。

実施の形態１と同様、光学素子成形用金型１３を構成する上型１４、下型１５および胴型１６は、タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とし、白金（Ｐｔ）系の合金保護膜により被覆されている。

光学素子の硝種としては、例えば、ホウケイ酸系バリウムガラス（ガラス転移点温度Ｔｇ＝５１６℃、線膨張係数α＝９３×１０−７（１００−３００℃））を用いることができる。

次に、上述の光学素子成形装置を用いた光学素子の成形工程について、説明する。先ず、下型１５の上面に、ボール状の光学素子素材１１を載置する。その後、下型１５に対して胴型１６を、テーパＣが下型１５のテーパＤに嵌合するように組合せる。最後に、上型１４を、テーパＤが胴型１６のテーパＣに嵌合するように摺動挿入する。この時胴型１６の内径と上型１４の首径の差は３μｍと従来に比べ比較的大きいため、スムーズに摺動可能であり、胴型１６と上型１４の接触によるチッピングの発生は抑制される。

その後、光学素子成形用金型１３を、図２（ａ）に示すように光学素子成形装置に載置する。次にプレスヘッド６、７をヒータ５で所定の温度まで昇温させて、光学素子成形用金型１内の光学素子素材１１を加圧成形可能な温度まで加熱する。光学素子素材１１が加圧可能な温度まで達したら、プレスシリンダー８に高荷重をかけ、隙間１２がなくなるまで加圧して変形は終了する。この変形時の上下型１４、１５の位置は、胴型１６の外周部に設けたテーパＣと、上下型１４、１５の底面部に設けたテーパＤの形状とにより位置固定され、上面１４と下面１５の位置ズレが発生し難い。そして、取り出し可能温度まで光学素子成形用金型１を降温させ光学素子成形装置より取り出す。この一連の作業を繰り返し行い所望の形状を有した光学素子１０を作製する。

より具体的には、実施の形態１と同様の条件で光学素子を成形し、透過波面収差を評価したところ、ほぼ実施の形態１と同様の性能を確認することができた。この外周部に設けたテーパで位置決めする方式を用いることにより、１μｍ以下を必要とされる上面と下面のズレが必要な光学素子においても、胴型と上下型のクリアランスを比較的大きくとることが可能となり、成形面のキズ，チッピングを防ぐと共に、成形毎の位置ズレのバラツキを最小限に抑えることができ、歩留まり良く高性能の光学素子を得ることが可能となる。

なお、胴型１６と上下型１４、１５のテーパ角度は、６０゜以外であっても、嵌合精度が高く成形された光学素子の取り出し作業に支障がなければ、任意に設定可能である。

また、実施の形態１及び形態２を組み合わせ、胴型の内径が両端部＞中央部とすることによる作用と、胴型と上下型との外周部におけるテーパ嵌合を併用して、同様の効果を得ることができる。

本発明の光学素子成型用金型によれば、胴型に上下型を挿入する際の上下型とのクリアランスを確保して、胴型と上下型の嵌合を容易にし、しかも成形時の上下型相互の位置ズレを最小限に抑え、光学素子を高精度で歩留まり良く成形することが可能であり、高性能なレンズ、プリズム等の成形に有用である。

（ａ）は、実施の形態１における光学素子成形装置を示す断面図、（ｂ）は同実施の形態における光学素子成形用金型の胴型の断面図、（ｃ）、（ｄ）は各々、光学素子の平面図および正面図 （ａ）は、実施の形態２における光学素子成形装置を示す断面図、（ｂ）は同実施の形態における光学素子成形用金型の胴型の断面図 従来の技術における光学素子成形用金型を示す断面図 従来の技術における光学素子成形用金型の他の例を示す断面図

符号の説明

１ 光学素子成形用金型
２ 上型
３ 下型
４ 胴型
４ａ 中央部
４ｂ 両端部
５ ヒータ
６、７ プレスヘッド
８ プレスシリンダー
１０ 光学素子
１１ 光学素子素材
１２ 隙間
１３ 光学素子成形用金型
１４ 上型
１５ 下型
１５ａ フランジ
１５ｂ 突出部
１６ 胴型
１６ａ 中央部
１６ｂ 両端部
２１、２４ 胴型
２２、２５ 上型
２３、２６ 下型
Ａ、Ｂ 内径
Ｃ、Ｄ テーパ

Claims (7)

1. 光学素子のプレス成形に用いる一対の上下金型及び胴型を備えた光学素子成形用金型において、前記胴型の中央部の内径Ａと、両端部の内径Ｂが、Ｂ＞Ａの関係に形成されたことを特徴とする光学素子成形用金型。
2. 前記胴型の両端部の内周面の形状が、Ｒ面形状または面取り形状を有する請求項１に記載の光学素子成形用金型。
3. 前記一対の上下金型を形成する素材の熱膨張係数が、前記胴型を形成する素材の熱膨張係数に比べ同等、若しくは大きく設定されている請求項１または２に記載の光学素子成形用金型。
4. 光学素子のプレス成形に用いる一対の上下金型及び胴型を備えた光学素子成形用金型において、
   前記胴型は、少なくとも一方の外周端部に外周面全周に亘るテーパ部が設けられ、
   前記上下金型は、前記胴型のテーパ部が設けられた外周端部に対応する外端部が前記胴型の外周近傍まで延在し、その延在部における前記胴型のテーパ部と対向する内面テーパ部が形成され、
   前記胴型のテーパ部と前記上下金型の内面テーパ部が密接に嵌合するように設定されていることを特徴とする光学素子成形用金型。
5. 前記胴型及び上下金型に設けるテーパの角度は、前記胴型と上下金型の嵌合により、前記上下金型どうしの軸合わせ精度を十分に確保可能であり、且つ前記胴型と上下金型の分解が容易である角度に設定された請求項４記載の光学素子成形用金型。
6. 前記一対の上下金型を形成する素材の熱膨張係数が、前記胴型を形成する素材の熱膨張係数に比べ同等、若しくは小さく設定された請求項４記載の光学素子成形用金型。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学素子成形用金型を用いて、プレス成形を行う光学素子の製造方法。

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