JP2006248805A - 光学素子成型方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形された光学素子を成形型から容易に離型させることが可能な光学素子成形方法を提供すること。
【解決手段】光学素材である光学ガラスを加熱軟化して一対の成形型である上型１，下型２で押圧して所望の面形状のガラスレンズ３を得る光学素子成形方法において、押圧成形後、型を一定の温度まで降下させて一旦、型を開く。この状態では、ガラスレンズ３は、凸状成形面を有する上型１側に貼り付いている。そこで、上型１のみをさらに温度を下げる。上記一対の型が所定の温度差になったとき、再度、型を閉じ、ガラスレンズ３を上記一対の型で挟み込む。その挟み込みによりガラスレンズ３に上下面側で熱膨張量の差を生ぜしめ、ガラスレンズ３に反り力を作用させる。該反り力によって上述したガラスレンズ３の上型１側への貼り付きが解消され、ガラスレンズ３を破損することなく容易に取り出すことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子の成形方法に関する。

近年、光学機器には高精度の凹、または、凸形状光学素子が幅広く用いられ、その形状は小型のものから大型のもの、あるいは、曲率が小さいものから大きいものまで様々であり、要求される精度も年々より高度なものとなってきている。

特許文献１に記載されている光学素子成形方法は、凹形状光学素子の離型時のワレ防止を目的としており、成形の冷却工程の際に上型と下型の冷却速度に差を付けて冷却することにより、上型と下型に型温度差を持たせて成形ガラスに反りを生じさせて上型、及び、下型との密着力を減少させるという成形方法である。
特許文献１は、特開２００３−２１２５６８号公報である。

一般的に凹形状光学素子の成形では、外径が大きく、また、凹面の凹みが深い程、型の凸形状部に接触する面積が広いため、冷却工程の際の冷却収縮作用で凹形状光学素子が成形型に貼り付きやすいが、特許文献１に記載の技術では外径が大きく、凹面の凹みが深い凹形状光学素子の場合には離型ができないといったことも考えられる。

また、貼り付いた凹形状光学素子を成形型から確実に離型させる方法として、光学素子の貼り付きのある型を叩き、衝撃を与えて離型する方法もあるが、この方法では光学素子を破壊する可能性があった。一方、凸形状光学素子を成形する場合においても同様に光学素子が成形型に密着して離型しにくいことが考えられる。

本発明は、光学素材を加熱軟化して一対の成形型で押圧し、冷却後に上記一対の成形型間を開くことで所望の面形状を得る光学素子成形方法において、成形された光学素子を成形型から容易に離型させることが可能な光学素子成形方法を提供すること目的とする。

本発明の請求項１記載の光学素子成形方法は、光学素材を加熱軟化して一対の成形型で押圧し、冷却後に上記一対の成形型間を開くことで所望の面形状を得る光学素子成形方法において、上記光学素材を加熱軟化して上記一対の成形型で押圧し、冷却後に上記一対の成形型間を開いた後に、上記一対の成形型の一方を冷却若しくは加熱して他方の型との温度差をつけた後、上記一対の型間を閉じて上記一対の成形型間中にある光学素子に接触させ、上記一対の成形型間を再度開き、光学素子を取り出す。

本発明の請求項２記載の光学素子成形方法は、請求項１に記載の光学素子成型方法において、上記冷却若しくは加熱による一対の型の温度差は、所定温度以上とする。

本発明によれば、光学素材を加熱軟化して一対の成形型で押圧し、冷却後に上記一対の成形型間を開くことで所望の面形状を得る光学素子成形方法において、成形光学素子の成形型からの離型が容易に行え、歩留まりの向上、さらに、作業時間の短縮といった効果を奏する。

以下、図を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第一実施形態である光学素子成形方法を用いる光学素子成形装置の主要部を示す断面図である。

上記光学素子成形装置２０は、ガラスの光学素材を加熱軟化して一対の成形型で押圧し、冷却後に上記一対の成形型間を開くことで所望の面形状を得る上記光学素子成形方法を適用する成形装置であって、その主要構成部材として図１に示すように一対の成形型である上型１，下型２と、上型１，下型２を覆うスリーブ５と、下リング４と、上型１が固定される上軸６と、下型２が固定される下軸７と、上型１，下型２の周囲に配される型加熱用熱源の１つである複数の赤外線ランプヒータ１２とを有している。この光学素子成形装置２０は、成型期間中には開閉可能な密閉炉１５によって密閉保持される。

上型１，下型２は、光学素子であるガラスレンズ３を成形するに足る温度領域で十分な強度を有した材料の超硬合金、例えば、ＳＩＣ等によって形成され、それぞれの上下面に、研磨され、貴金属系の薄膜が施される、例えば、曲率半径８ｍｍからなる凸状成形面１ａ、および、曲率半径２４ｍｍからなる凹状成形面２ａを有している。そして、上型１，下型２内には、それぞれ型加熱用熱源であるカートリッジヒータ８，９、および、型温度検出用の熱電対１０，１１が埋め込まれている。

下リング４は、下型２の上端部に位置決め嵌入されて装着され、ガラスレンズ３の成型時の外径を決める。

上軸６は、本成形装置２０の駆動装置（サーボモータ、あるいは、エアーシリンダ）により駆動され、上型１を上方向Ｄ2 、または、下方向Ｄ1 に移動させる。下軸７は、本成形装置２０のベース（図示せず）に固定支持されている。なお、上軸，下軸６，７には、それぞれ型冷却用の冷媒である純水が流通可能な冷却経路６ａ，６ｂおよび７ａ，７ｂが設けられている。

スリーブ５は、円筒形状のセラミックス材料で形成され、上方部が上型１に固着され、かつ、精密嵌合（隙間の極めて少ない状態）し、下型２に対してスライド可能に精密嵌合する。赤外線ランプヒータ１２による照射熱は、スリーブ５を介して上型１，下型２に効率よく伝達される。

カートリッジヒータ８，９は、上型１，下型２を熱伝導により加熱する。かつ、上記型を介してガラスレンズ３の素材である光学素材を加熱する。

カートリッジヒータ８，９や赤外線ランプヒータ１２、また、上記冷媒は、熱電対１０，１１によって検出される型温度に基づき、成型装置２０の図示しない制御部により各工程時における光学素材および上，下型１，２の温度制御がなされる。

ガラスレンズ３は、例えば、光学素材であるランタン系ガラスから成形され、上面側が非球面の凹形状を有し、下面側が非球面の凸形状をもつ光学素子である。ガラスレンズ３の素材となる上記ガラス素材は、予め研削研磨でガラスレンズの近似形状に加工されている。ガラスレンズ３の概略形状は、例えば、外径２０ｍｍであり、凹面曲率半径８ｍｍと凸面曲率半径２４ｍｍを有し、中肉は１．４ｍｍである。

上述した構成を有する光学素子成形装置２０によりガラスレンズ３を成形し、離型する工程について図２（Ａ）〜２（Ｄ）を用いて説明する。
図２（Ａ）〜２（Ｄ）は、上記光学素子成形装置による光学素子（ガラスレンズ）の成形，離型の各工程を示す図であり、図２（Ａ）は、押圧成形状態を示し、図２（Ｂ）は、成形後、上型を一旦上昇させた型開き状態を示し、図２（Ｃ）は、再度、上型を降下させた型閉じ状態を示し、図２（Ｄ）は、ガラスレンズを取り出すために再度、上型を上昇させた型開き状態を示す。

まず、ガラスレンズ３の素材である上記光学素材（ガラス素材）を搬送アーム（図示せず）を介して搬送し、下型２上に載置する。そして、密閉炉１５を密閉状態とする。

上型１をＤ1 方向に降下させ、上記光学素材の表面近傍に上型１の凸状成形面１ａが到達したとき、上型１を一旦停止させる。そこで、密閉炉１５内を真空状態とし、窒素ガスで置換する。そして、上記制御部のコントロールのもとでカートリッジヒータ８，９や赤外線ランプヒータ１２に通電し、上記光学素材および上型１，下型２，スリーブ５の加熱を開始する。ねらいの温度（例えば、転移点を上回る、およそ６００°Ｃ）に到達したら上型１をＤ1 方向に再降下させて凸状成形面１ａ，凹状成形面２ａにより上記光学素材を押圧する。そして、所定量の押圧後、上型１のＤ1 方向への移動を停止し、上軸６の押圧力を解除する。上記光学素材は、押圧成形されてガラスレンズ３の形状となる。図２（Ａ）は、上記光学素材の押圧成形終了状態を示している。

そこで、カートリッジヒータ８，９および赤外線ランプヒータ１２の通電を停止させる一方、冷却経路６ａ，６ｂおよび７ａ，７ｂに冷媒としての純水を通して冷却工程に入り、型の冷却を開始する。上記冷却により上，下型およびガラスレンズの熱は、上記冷媒を介して系外に放出される。

上記冷却工程で上，下型温度が１９０°Ｃまで下がったとき、密閉炉１５を開放して一旦型開きを行い、上型１を上方のＤ2 方向に所定量上昇させる。その型開き状態では、図２（Ｂ）に示すようにガラスレンズ３は、上型１に貼り付いた状態でともに移動する。この現象は、上型１の凸状成形面１ａが曲率半径の小さい凸形状であであることからその凸状成形面１ａにガラスレンズ３の凹面が上記光学素材の収縮作用により吸着されるために生じる。

上記型開き状態で上型１側は、引き続き冷却経路６ａ，６ｂに上記冷媒を通して冷却を続行し、下型２側は、型温度１９０°Ｃを保持するように上記冷媒およびカートリッジヒータ９がコントロールされる。そして、上型１と下型２の型温度差が後述する所定の温度差Ｔ0 になった時に上型１をＤ1 方向に降下させてガラスレンズ３の下面を下型２の凹状成形面２ａに再度接触させる。図２（Ｃ）は、その接触状態を示しているが、この接触によってガラスレンズ３に上方凹面側と下方凸面側との熱膨張量の差による反り力が生じ、上型１の凸状成形面１ａとの貼り付き力が解消される。

続いて、上型１をＤ2 方向に上昇させ、再度型開きを行うと、図２（Ｄ）に示すようにガラスレンズ３は、割れのない状態で下型２側に残され、離型状態となる。そして、上記搬送アームの吸着パッド２１を挿入し、ガラスレンズ３を吸着し、取り出す。

上述した離型させるための所定の温度差Ｔ0 としては、当然ながら光学素材の材質や成形面の曲率や径などによって異なってくると考えられ、温度差による割れの発生のない状態で処理時間の短縮等も考慮し、適切な所定の温度差Ｔ0 として１０°Ｃ〜１００°Ｃの値を選択し定める必要がある。なお、前述した特許文献１では、型開きを行わない状態での上記貼り付きをなくすための上型と下型の温度差の一例として１１°Ｃが記載されている（段落番号００２１）。

上述した本実施形態の光学素子成形装置２０による光学素子成型方法では、成形されたガラスレンズ３に衝撃や引き離し外力を与えることなく上型１から容易に素早く離型させることができ、成形品の歩留まりや生産性を向上させることができる。また、前述した特許文献１による型開きを行わない温度差を与えてガラスレンズの貼り付き状態を解消させる方法に比較して、一旦型開きした状態で上記温度差を付けた後、再度接触させてガラスレンズ３の上下面の温度差を与えるので、より確実な離型を行うことができる。

次に、本発明の第二の実施形態の光学素子成形方法を適用する光学素子成形装置２０Ａについて、図３（Ａ）〜３（Ｄ）を用いて説明する。
図３（Ａ）〜３（Ｄ）は、上記光学素子成形装置による光学素子（ガラスレンズ）の成形，離型の各工程を示す図であり、図３（Ａ）は、押圧成形状態を示し、図３（Ｂ）は、成形後、上型を一旦上昇させた型開き状態を示し、図３（Ｃ）は、再度、上型を降下させた型閉じ状態を示し、図３（Ｄ）は、ガラスレンズを取り出すために再度、上型を上昇させた型開き状態を示す。

本実施形態の光学素子成形装置２０Ａは、前記第一の実施形態の光学素子成形装置２０に対して図３（Ａ）に示すように一対の型の一方の上型１Ａ側に凹状成形面１Ａａ、他方の下型２Ａ側に凸状成形面２Ａａを形成した点が異なる。従って、離型させる場合、下型側を冷却するように制御される。その他の構成は、第一の実施形態の光学素子成形装置２０と同様とする。この成形装置２０Ａにおいては、例えば、上型１Ａの凹状成形面１Ａａは、曲率半径２４ｍｍを有し、下型２Ａの凸状成形面２Ａａは、曲率半径８ｍｍを有している。ガラスレンズ３Ａは、それに対応した形状に成形される。以下、異なる点について説明する。なお、同様の構成要素に対しては、同一符号を付して説明する。

光学素子成形装置２０Ａにおいては、成形装置２０の場合と同様に窒素ガス置換状態の密閉状態で上述したねらいの温度まで型および光学素材の加熱を行った後、上型１Ａを降下させ、図３（Ａ）に示す押圧成形する。その後、冷却工程に入り、型温度が１９０°Ｃまで下がってから図３（Ｂ）に示すように密閉炉１５を開放して上型１ＡをＤ2 方向に上昇させる。成形装置２０の場合と同様の理由によって、ガラスレンズ３Ａは下型２Ａの凸状成形面２Ａａに貼り付き、下型２Ａ側に吸着保持されている。

上記型開き状態で下型２Ａの方は、引き続き冷却経路７ａ，７ｂに上記冷媒を通して冷却を続行し、上型１Ａの方は、型温度１９０°Ｃを保持するように上記冷媒およびカートリッジヒータ９等がコントロールされる。そして、上型１Ａと下型２Ａの型温度差が上述した所定の温度差Ｔ0 に達した時に上型１ＡをＤ1 方向に降下させてガラスレンズ３Ａの上面に凹状成形面１Ａａを再度接触させる。図３（Ｃ）は、その接触状態を示しているが、この接触によってガラスレンズ３Ａには下方凹面側と上方凸面側とに熱膨張量差による反り力が生じて、下型２Ａの凸状成形面２Ａａとの貼り付き力が解消され、ガラスレンズ３Ａは、取り出し可能な（離型）状態になる。

続いて、図３（Ｄ）に示すように上型１をＤ2 方向に上昇させ、上記搬送アームの吸着パッド２１を挿入し、ガラスレンズ３Ａを吸着し、取り出す。

本実施形態の光学素子成形装置２０Ａによれば、前記第一の実施形態の成形装置２０による光学素子成形方法の場合と同様の効果を奏する。

次に、本発明の第三の実施形態の光学素子成形方法を適用する光学素子成形装置２０Ｂについて、図４の上記光学素子成形装置の主要部を示す断面図を用いて説明する。

本実施形態の光学素子成形装置２０Ｂは、押圧成形後、上，下型温度差を与えるときの上型１の冷却速度を早くすることによって成形サイクル数を増やし、生産性を向上させることを目的としたものであり、前記第一の実施形態の成形装置２０に対して上型１の冷却装置を付加したものである。その他の構成は、第一の実施形態の成形装置２０と同様とし、同一の符号を付して説明する。

本光学素子成形装置２０Ｂにおいては、上述した付加する上型１の冷却装置として、図４に示すように上軸６とスリーブ５の間であって上型１の外周に沿った位置に窒素ガスブロー装置１６，１７が配置される。この窒素ガスブロー装置１６，１７は、装置本体に固定配置されていてもよく、あるいは、上下移動する上軸６と一体支持されていてもよい。

本光学素子成形装置２０Ｂにおいても前述したようにガラスレンズ３を押圧成形後、上，下型を所定温度までの冷却してからを上型１を上昇させて型開きを行う。そこで、上，下型温度差を付けるために上型１のみの冷却を行う。そのとき、成形装置２０の場合と同様に冷却経路６ａ，６ｂに冷媒を通して冷却するが、同時に、窒素ガスブロー装置１６，１７より冷媒としての窒素ガスを噴出させる。その窒素ガスの噴出によって上型１の冷却速度が上がり、上，下型温度差が上述した所定の温度差Ｔ0 になるまでの時間が短縮される。

従って、本実施形態の光学素子成形装置２０Ｂによる光学素子成型方法によれば、第一の実施形態の成形装置２０による成形方法と同様の効果を奏するとともに、さらに、ガラスレンズ３が成形され、離型されるまでのサイクルが早くなり、生産性を向上させることが可能となる。

なお、上述した各実施形態の光学素子成形方法においては、ガラスレンズの貼り付きを解放して、容易に離型させるために型開き状態で一方の上型、または、下型を所定の温度に保持しながら、他方の型を冷却するように温度制御を行ったが、これに限らず、逆に冷却した側の型を一定の温度に保持し、所定の温度に保持した側の型を加熱ことによって上，下型を上述した所定の温度差Ｔ0 のある状態にして離型させることも可能である。また、所定の温度に保持した側の型を特に温度制御せず、他方の型を冷却、または、加熱制御して上記所定の温度差Ｔ0 を得るようにしてもよい。さらには、上下両方の型の何れか一方の温度を上げ、同時に他方を下げるように温度制御して上記所定の温度差Ｔ0 を得るようにしてもよい。

また、上述した各実施形態の光学素子成形装置により成形されるガラスレンズは、型との貼り付きが発生する面側が小さい曲率半径を形成する凹状光学素子であったが、これに限らず、比較的に大きな曲率半径を形成する凹状光学素子や平面の光学素子、さらには凸面光学素子等であっても型への貼り付きが発生しやすく、離型しにくいような光学素子の成形に対しても本発明の光学素子成形方法を適用することによって同様の効果を奏することができる。

また、成形される光学素材としてガラス以外の光学素材を成形する場合の離型方法としても本発明の要旨は適用可能である。

この発明は、上記各実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記各実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。

本発明による光学素子成形方法は、光学素材を加熱軟化して一対の成形型で押圧し、冷却後に上記一対の成形型間を開くことで所望の面形状を得る光学素子成形方法において、上，下型間を開いた後に光学素子が貼り付いた方の型の追加冷却を行い、もう一方の型との温度差が所定温度差となったところで再度、型を接近させて光学素子に接触させて貼り付き状態を解消させるものであって、光学素子を破壊せずに容易に離型させることが可能な成形方法として利用できる。

本発明の第一実施形態の光学素子成形方法を用いる光学素子成形装置の主要部を示す断面図である。 図１の光学素子成形装置による光学素子（ガラスレンズ）の成形，離型の各工程を示す図であり、図２（Ａ）は、押圧成形状態を示し、図２（Ｂ）は、成形後、上型を一旦上昇させた型開き状態を示し、図２（Ｃ）は、再度、上型を降下させた型閉じ状態を示し、図２（Ｄ）は、ガラスレンズを取り出すために再度、上型を上昇させた型開き状態を示す。 本発明の第二実施形態の光学素子成形方法を用いる光学素子成形装置による光学素子（ガラスレンズ）の成形，離型の各工程を示す図であり、図３（Ａ）は、押圧成形状態を示し、図３（Ｂ）は、成形後、上型を一旦上昇させた型開き状態を示し、図３（Ｃ）は、再度、上型を降下させた型閉じ状態を示し、図３（Ｄ）は、ガラスレンズを取り出すために再度、上型を上昇させた型開き状態を示す。 本発明の第三の実施形態の光学素子成型方法を用いる光学素子成形装置の主要部を示す断面図である。

符号の説明

３，３Ａ…ガラスレンズ（光学素材，光学素子）
１，１Ａ…上型（一対の型）
２，２Ａ…下型（一対の型）
Ｔ0 …所定の温度差

代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (2)

1. 光学素材を加熱軟化して一対の成形型で押圧し、冷却後に上記一対の成形型間を開くことで所望の面形状を得る光学素子成形方法において、
   上記光学素材を加熱軟化して上記一対の成形型で押圧し、冷却後に上記一対の成形型間を開いた後に、上記一対の成形型の一方を冷却若しくは加熱して他方の型との温度差をつけた後、上記一対の型間を閉じて上記一対の成形型間中にある光学素子に接触させ、上記一対の成形型間を再度開き、光学素子を取り出すことを特徴とする光学素子成形方法。
2. 上記冷却若しくは加熱による一対の型の温度差は、所定温度以上あることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成型方法。

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