JP2006052111A - 光学素子成形装置及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 所望の特性を有する光学素子を安定して得ることができ、また、光学素子成形装置の破損や低寿命化を回避する。
【解決手段】 光学素子成形装置は、被成形素材を加熱するヒータと、装置内に冷却水を循環させるための配管と、循環する冷却水の温度を検出するための温度測定機とを備える。温度測定機により測定された冷却水の温度が設定値を越えた場合、ヒータ温度が低下するようにヒータが制御される。成形条件を常時監視して、異常を検知するとヒータ温度を低下させることにより、安全性高く安定して所望の光学特性を有する光学素子を生産性よく成形することができる。
【選択図】 図１

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成形するための光学素子成形装置に関する。また、本発明は光学素子成形装置を用いた光学素子の製造方法に関する。

近年、レンズ、プリズム等の光学素子はガラスなどの光学素子用素材を研磨して製造する代わりに、光学素子素材を一定形状に予備加工し、これを一対の上下型の間に供給し加熱加圧成形する方法が用いられている。

この加熱加圧成形方法に用いられる光学素子成形装置の構造を図２を用いて説明する。

光学素子成形装置２１は、予熱ステージ３２、プレスステージ３３、冷却ステージ３４の３つのステージを備えており、各ステージはそれぞれに設けられたヒータにより所定の温度に加熱され保持されている。各ヒータの加熱温度は光学素子成形装置制御盤２２で所望の温度にコントロールされる。光学素子成形装置２１の地熱上昇を防ぐために、光学素子成形装置２１に冷却水給水管２３より３０℃以下の冷水が５×１０^-3ｍ³／ｍｉｎ以上注入され、成形装置２１内の全体を循環した後冷却水排水管２４より排出される。給排水管２３，２４の材料としては、排出された冷却水の温度が５０℃を越える場合は、金属系材料、例えばアルミや銅からなるパイプが用いられる。図２の光学素子成形装置２１の場合は、正常な成形動作中では水温２０℃〜４０℃程度しか上昇しない為、テフロン(登録商標)系チューブを用いて冷却水が循環される。更に、光学素子成形装置２１内部が高温になり、内部の治具及び光学素子成形用型が酸化されるのを防ぐために、ガス注入管２５よりガスを注入し光学素子成形装置２１内部を不活性化させる。ガス注入管２５の材料としては、暖めたガスを注入する場合は、耐熱性に優れた金属製のパイプが望ましく、常温程度のガスを注入する場合は、テフロン(登録商標)製のチューブが使用される。

このように光学素子成形装置２１が冷却水循環設備及びガス注入管を備えることにより、ヒータで上昇した光学素子成形装置全体の地熱を低温化させることができると共に、光学素子成形装置内の治具及び光学素子成形型の酸化を防ぎ長寿命化を実現することができる。更には、光学素子成形装置を安定した状態で連続運転することが可能になり、生産性よく安価に光学素子を作製することが可能である。

また、樹脂からなる光学素子を成形するときに主に用いられている射出成形装置も同様の構成を有しているものもある。

近年、レンズの高ＮＡ化が急速に進んでおり、このような光学素子を図２のような冷却水循環機能を有した光学素子成形装置２１を用いて成形する場合、冷却水の水温や光学素子成形装置自体の温度の変化に得られるレンズの特性が敏感に反応し、所望する特性を有するレンズが得られないという問題がある。また、光学素子成形装置２１に供給される不活性ガスの流量が不安定であると、光学素子成形型の熱伝導率が変動するなど、成形条件が不安定化し、所望する特性を有する光学素子が得られないという問題がある。したがって、この様な条件下で光学素子の成形を続けると、無駄な不良品を大量に発生させ、所望の特性を有した光学素子を生産性よく成形することが不可能となる。

更には、冷却水温度の異常上昇や冷却水流量（又は圧力）の異常低下に気づかずに成形を続けると、循環冷却水の温度上昇により冷却水配管の破裂等、非常に危険な状態に至る可能性がある。

また、不活性ガス流量が必要量を下回った状態に気づかずに成形を続けると、光学素子成形装置内部の治具及び光学素子成形型の酸化が急速に進行し、前記治具及び型の寿命を縮めてしまう可能性がある。

本発明は、上記の従来の光学素子成形装置の問題を解決し、所望の特性を有する光学素子を安定して得ることができ、また、装置の破損や低寿命化を回避することができる光学素子成形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。

本発明の第１の光学素子成形装置は、被成形素材を加熱するヒータと、装置内に冷却水を循環させるための配管と、循環する前記冷却水の温度を検出するための温度測定機とを備え、前記温度測定機により測定された前記冷却水の温度が設定値を越えた場合、前記ヒータ温度が低下することを特徴とする。

本発明の第２の光学素子成形装置は、被成形素材を加熱するヒータと、装置内に冷却水を循環させるための配管と、循環する前記冷却水の流量又は圧力を検出するための測定機とを備え、前記測定機により測定された前記冷却水の流量又は圧力が設定値を下回った場合、前記ヒータ温度が低下することを特徴とする。

本発明の第３の光学素子成形装置は、被成形素材を加熱するヒータと、チャンバー内にガスを供給するための配管と、前記配管内の前記ガスの流量を検出するための流量測定機とを備え、前記流量測定機により測定された前記ガスの流量が設定値を下回った場合、前記ヒータ温度が低下することを特徴とする。

本発明の第４の光学素子成形装置は、被成形素材を加熱するヒータと、装置自体の温度を検出するための温度測定機とを備え、前記温度測定機により測定された装置の温度が設定温度を越えた場合、前記ヒータ温度が低下することを特徴とする。

また、本発明の光学素子の製造方法は、上記の第１〜第４のいずれかの光学素子成形装置を用いて前記被成形素材を成形することを特徴とする。

本発明によれば、所望する特性を有する光学素子を生産性よく安定して成形することができる。また、不良品の発生を抑え、光学素子成形装置の破損や低寿命化などの危険を回避することができる。

以下、本発明を具体的に図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る光学素子成形装置の概略構成図である。

本実施の形態の光学素子成形装置１は、予熱ステージ１２、プレスステージ１３、冷却ステージ１４の３つのステージを備えており、各ステージにはそれぞれを加熱するためのヒータ（図示せず）が設けられている。各ヒータは光学素子成形装置制御盤２で制御され、各ステージが所望の温度にコントロールされる。

光学素子成形装置１の地熱を下げるために、光学素子成形装置１には冷却水給水管３より冷却水が注入され、光学素子成形装置１内の全体を循環した後、冷却水排水管４より排出される。給排水管３，４の材料としては、本実施形態では、正常運転であれば水温は４０℃以上に達しないため、テフロン(登録商標)製のチューブを使用することができる。もちろん、金属系材料を使用してもよい。

循環する冷却水の温度を常時監視するために、温度測定機６が給水管３の光学素子成形装置１の直前に、また、温度測定機７が排水管４の光学素子成形装置１の直後に、それぞれ設置されている。更に、安全な成形を可能にするために、温度測定機６，７は成形装置制御盤２にシーケンサを用いて接続され、給水管３及び排水管４を通過する冷却水の温度を常時監視し、冷却水温度が所定の温度（例えば４０℃）を越えた場合に自動的にヒータ温度を降温させる（例えば、給電を停止させる）よう、ヒータを制御している。なお、給排水管３，４の材料が金属製の場合は、設定温度を４０℃以上のより高い温度に設定することも可能である。

冷却水が通過するフィルター（図示せず）が汚れたり、光学素子成形装置１内の冷却水巡回通路が詰まったりすると、流量が低下してしまい、光学素子成形装置１を安定して冷却することが不可能となる。その結果、良好な特性の光学素子を安定に確保することが困難となる。このような事態を防止するために、給排水管３，４に流量測定機８，９がそれぞれ設置されている。そして、温度測定機６，７と同様に、流量測定機８，９は成形装置制御盤２にシーケンサを用いて接続され、給水管３及び排水管４内の冷却水の流量を常時監視し、流量が所定の値（例えば５×１０^-3ｍ³／ｍｉｎ）を下回った場合に自動的にヒータ温度を降温させる（例えば、給電を停止させる）よう、ヒータを制御している。なお、流量測定機８，９に代えて、給排水管３，４内の冷却水圧力を測定する水圧測定機を使用することもできる。

更に、光学素子成形装置１には、成形チャンバー内部を不活性雰囲気に維持して治具及び光学素子成形用型の酸化を防止するためにガス注入管５が設けられている。ガス注入管５の材料としては、本実施の形態では、常温のガスを注入するためテフロン(登録商標)製のチューブを使用している。但し、暖めたガスを注入しても良く、その場合には、耐熱性に優れた金属製のパイプを使用ことが望ましい。また、注入されるガスとしては、不活性ガス（例えばＮ₂ガス）を使用することができる。更に、ガス注入管５にガス流量測定機１０が設置されている。そして、安全な成形を可能にするために、温度測定機６，７及び流量測定機８，９と同様に、ガス流量測定機１０は成形装置制御盤２にシーケンサを用いて接続され、ガス注入管５を通じて注入されるガスの流量を常時監視し、流量が所定の値（例えば１０×１０^-3ｍ³／ｍｉｎ）を下回った場合に自動的にヒータ温度を降温させる（例えば、給電を停止させる）よう、ヒータを制御している。

更に、光学素子成形装置１の立ち上げ時においても、冷却水温度、冷却水流量（又は圧力）、ガス流量が設定値に達していないと、ヒータ温度が昇温しないように設定されている。

このような光学素子成形装置１を用いて、ＮＡ０．６のレンズを成形した。レンズの材料としては、硼珪酸系バリウムガラスを用いた。

図示していない一対の上下型間に光学素子素材を挿入し、光学素子成形装置１内に投入した。予め、光学素子成形装置制御盤２を用いて光学素子成形装置１内の各ステージの温度調整を行った。投入後、成形用金型は、金型進路方向１１の向きに搬送され、加熱温度５５０℃に設定された予熱ステージ１２で光学素子素材を軟化させ、次いでプレスステージ１３で１０Ｎの荷重により加圧して光学素子素材を変形させ、加熱温度５００℃に設定された冷却ステージ１４で光学素子素材及び成形用金型を冷却して、光学素子成形装置１より排出した。成形中の冷却水の温度は、給水管３側で２０℃〜３０℃、排水管４側で２０℃〜３０℃で安定していた。冷却水の流量は、給水管３側で５×１０^-3ｍ³／ｍｉｎ〜７×１０^-3ｍ³／ｍｉｎ、排水管４側で５×１０^-3ｍ³／ｍｉｎ〜７×１０^-3ｍ³／ｍｉｎで安定していた。不活性ガス（Ｎ₂ガス）の流量は１５×１０^-3ｍ³／ｍｉｎであった。

このような温度条件、冷却水の温度及び流量、及び不活性ガス流量により、所望の形状と良好な特性を有した光学素子を安定して得ることができた。

本発明の光学素子成形装置１は、常時、冷却水の温度，流量（又は圧力）、及びガス流量を常時監視することにより、成形条件の変化を見落とすことなく検出することができ、この検出結果に基づいてヒータ温度を制御するため、優れた特性の光学素子を安定して生産性よく成形することが可能である。更に、これらの監視項目のいずれかの変動により、得られる光学素子の特性が悪化する可能性がある場合には、ヒータ温度を迅速に低下させることにより、不良光学素子の発生を未然に防止することができる。

更に、冷却水の温度，流量（又は圧力）、及びガス流量が設定範囲を外れた場合にはヒータ温度を低下（例えばヒータの加熱を停止）させるという安全装置により、給排水管３，４の破裂や、光学素子成形装置１内の部品や成形用金型の短寿命化を回避できる。

したがって、本発明の光学素子成形装置によれば、安全に且つ生産性よく光学素子を成形することができる。

上記の本実施形態の光学素子成形装置は、予熱ステージ，プレスステージ，冷却ステージの３ステージを有していたが、本発明はこれに限定されず、３ステージの役割を全て果たすステージを一つだけ備えた光学素子成形装置であってもよく、この場合にも上記と同様の効果を得ることができる。

また、上記の本実施形態の光学素子成形装置は、主にガラスの光学素子を成形するリヒート成形装置であるが、本発明はこれに限定されず、樹脂の光学素子を成形する時に用いられる射出成形装置に適用することもでき、その場合にも上記と同様の効果を得ることができる。

上記の実施の形態において、更に、光学素子成形装置１自体に温度測定機を設けてもよい。この温度測定機は成形装置制御盤２にシーケンサを用いて接続され、成形装置１の温度を常時監視し、検出温度が所定の値を超えた場合に自動的にヒータ温度を降温させる（例えば、給電を停止させる）よう、ヒータを制御する。このような場合にも、不良光学素子の発生を未然に防止することができるとともに、給排水管３，４の破裂や、光学素子成形装置１内の部品や成形用金型の短寿命化を回避することができる。

本発明では、冷却水の温度，流量（又は圧力）、ガス流量、及び光学素子成形装置１自体の温度の全てを監視してヒータを制御することが望ましいが、これらのうちの少なくとも一つを監視してヒータを制御することにより、上記の効果を得ることが可能である。

本発明の利用分野は特に限定はなく、金型を用いて光学素子を成形する成形装置及びこのような成形工程を備えた光学素子の製造方法に広く利用することができる。

本発明の一実施形態に係る光学素子成形装置の構成図 従来の光学素子成形装置の構成図

符号の説明

１，２１ 光学素子成形装置
２，２２ 光学素子成形装置制御盤
３，２３ 冷却水給水管
４，２４ 冷却水排水管
５，２５ ガス注入管
６，７ 冷却水温度測定機
８，９ 冷却水流量測定機
１０ ガス流量測定機
１１ 光学素子成形金型進路方向
１２，３２ 予熱ステージ
１３，３３ プレスステージ
１４，３４ 冷却ステージ

Claims (6)

1. 被成形素材を加熱するヒータと、
   装置内に冷却水を循環させるための配管と、
   循環する前記冷却水の温度を検出するための温度測定機と
   を備え、
   前記温度測定機により測定された前記冷却水の温度が設定値を越えた場合、前記ヒータ温度が低下することを特徴とする光学素子成形装置。
2. 被成形素材を加熱するヒータと、
   装置内に冷却水を循環させるための配管と、
   循環する前記冷却水の流量又は圧力を検出するための測定機と
   を備え、
   前記測定機により測定された前記冷却水の流量又は圧力が設定値を下回った場合、前記ヒータ温度が低下することを特徴とする光学素子成形装置。
3. 被成形素材を加熱するヒータと、
   チャンバー内にガスを供給するための配管と、
   前記配管内の前記ガスの流量を検出するための流量測定機と
   を備え、
   前記流量測定機により測定された前記ガスの流量が設定値を下回った場合、前記ヒータ温度が低下することを特徴とする光学素子成形装置。
4. 前記ガスは不活性ガスである請求項３に記載の光学素子成形装置。
5. 被成形素材を加熱するヒータと、
   装置自体の温度を検出するための温度測定機と
   を備え、
   前記温度測定機により測定された装置の温度が設定温度を越えた場合、前記ヒータ温度が低下することを特徴とする光学素子成形装置。
6. 請求項１〜５のいずれかの光学素子成形装置を用いて前記被成形素材を成形する光学素子の製造方法。

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