JP2006265050A - 光学素子成形型 - Google Patents

Abstract

【課題】成形時のバリやカケの問題が少ない、安価で高精度な掘り込み形状の光学素子成形型を提供すること。
【解決手段】光学機能面と、前記光学機能面の周りに配置された側面と、前記２つの面を繋ぐつなぎ面と、が材料的に連続しており、前記３つの面のそれぞれの面の少なくとも一部が成形時に転写面として使用され、且つ、前記３つの面は熱間プレスにより成形されており、且つ、前記３つの面がガラス若しくはアモルファス合金製であり、前記３つの面を有する部材の周囲に、型をガイドするガイド部材が一体的に接合されているように構成する。更に、光学機能面と前記光学機能面の周りに配置された側面と、前記２つの面を繋ぐつなぎ面とを熱間プレスで成形すると同時に、前記３つの面を有する部材の周囲にガイド部材を一体的に接合させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラスレンズ、プラスチックスレンズ、ミラー等の光学素子成形型に関する。

近年、光学機器の高機能化に伴い、光学素子の小型化、高精度化への要求が厳しくなってきている。しかしながら、光学素子が小さくなればなるほど、機械加工により高精度に１つずつ作製することが困難となる。そのため、成形型の形状を転写させて光学素子を得る、比較的、小型、高精度な成形品を製造し易い、ガラスモールド成形方法及びプラスチック射出成型方法等が用いられている。

これらの成形方法においては、密閉タイプの成形型を使用した一発成形を行い、成形後の後加工を省略することが多く、型の形式は光学機能面とその周囲の側面とその２つの面を繋ぐつなぎ面で構成されるような掘り込み形状の型となることが多い。

しかしながら、小径レンズのような微小な光学素子の光学機能面等を掘り込み形状の型の底面に機械加工することは、掘り込み型の側面への工具の干渉、バイトの小型化の限界等により困難となっている。

この問題を解決するために、光学機能面と側面とを分離して別々に加工し、加工後に勘合させて１つの型として使用する方法があるが、加工精度等により、２つの型間にはどうしても隙間が生じてしまう。プレス成形や射出成形を行うと、前記の隙間に成形素材が流れ込んでしまい、バリ、カケ、ワレといった成形不良が発生する。

又、光学機能面と側面とを分離して加工していては、加工工数の増加によりコストが高くなるという問題がある。この加工コストの問題に関しては、例えば、特許文献１及び特許文献２等に、ガラスの熱間プレスで形状を安価に加工する方法が開示されているが、光学機能面から材料的にも形状的にも滑らかに連続する側面が形成されてなく、完全にバリ、カケといった問題を解決するには十分ではない。

特開平２−１０２１３６号公報 特開平４−１３００２５号公報

本発明は、上記問題を鑑みなされたもので、その目的とする処は、成形時のバリやカケの問題が少ない、安価で高精度な掘り込み形状の光学素子成形型及を提供することである。

上記課題を達成するため、請求項１記載の発明は、光学機能面と、前記光学機能面の周りに配置された側面と、前記２つの面を繋ぐつなぎ面と、が材料的に連続しており、前記３つの面のそれぞれの面の少なくとも一部が成形時に転写面として使用され、且つ、前記３つの面は熱間プレスにより成形されており、且つ、前記３つの面がガラス若しくはアモルファス合金製であるように構成する。

請求項２記載の発明は、光学機能面と、前記光学機能面の周りに配置された側面と、前記２つの面を繋ぐつなぎ面と、が材料的に連続しており、前記３つの面のそれぞれの面の少なくとも一部が成形時に転写面として使用され、且つ、前記３つの面は熱間プレスにより成形されており、且つ、前記３つの面がガラス若しくはアモルファス合金製であり、且つ、前記３つの面を有する部材の周囲に、型をガイドするガイド部材が一体的に接合されているように構成する。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の光学素子成形型に関し、側面が型をガイドするガイド面であるように構成する。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の光学素子成形型に関し、光学機能面と前記光学機能面の周りに配置された側面と、前記２つの面を繋ぐつなぎ面とを熱間プレスで成形すると同時に、前記３つの面を有する部材の周囲にガイド部材を一体的に接合させるように構成する。

請求項１記載の発明によれば、ガラスモールド成形やプラスチック射出成形において、密閉成形を行ってもバリ、カケ等の成形不良の発生箇所を制限することができる。又、形状を熱間の成形で加工するので、複雑形状の光学機能面を安価に作製することができる。更に、側面をガイド面としたときは、高精度な位置決め基準として利用できる。

請求項２記載の本発明によれば、請求項１記載の発明と同様に、ガラスモールド成形やプラスチック射出成形において、密閉成形を行ってもバリ、カケ等の成形不良の発生箇所を制限することができる。又、形状を熱間の成形で加工するので、複雑形状の光学機能面を安価に作製することができる。又、型をガイドするガイド部材を別部品としているので、型の耐久性、耐磨耗性、強度を向上させるための設計自由度が高くなる。更に、光学機能面と前記光学機能面の周りに配置された側面と、前記２つの面を繋ぐつなぎ面とを熱間プレスで成形すると同時に、型のガイド部材と一体に接合したときは、成形型の製造コストをより低くすることができる。

図１は本発明である請求項２に記載の成形型の代表的な形態の断面図であり、例として、ガラスモールド成形において本発明の成形型を使用した場合を示している。

１は光学機能面で、２は光学機能面の周りに配置された側面で、３は１と２の面を繋ぐつなぎ面である。４のハッチング部分は、薄肉状の部材で、ここではホウケイ酸ガラス（平均熱膨張係数（３０〜５００℃）＝５×１０^―６[/℃]）を用いている。前記１、２、３の３つの面が分離していなく、連続であるために、５のプレス用型で成形素材を変形させて、１と２と３に成形素材が接触しても、型摺動部を除き、６の光学素子にバリ、カケ等は発生しない。

又、７のガイド部材に形成された８のガイド面で５の型を摺動させることで、高精度に４，５を位置決めすることができる。更に、７の材質は、耐磨耗性に優れるＷＣ基の超硬合金（平均熱膨張係数（３０〜５００℃）＝５×１０^―６[/℃]）を使用し、型の耐久性を考慮している。

図６には比較例としての従来例の型構造を示す。

９は光学機能面、１０は側面、１１には材料的にも形状的にも９と１０に連続しない側面がある。１２のガラス部材は１３の下型と接合されている。図６の型構成において、光学素子を得るためには、１４のガラスブランクを軟化するまで加熱して１５のプレス用型で光学機能面を１４に転写させと良い。

しかしながら、この従来法では、前述したように、材料的にも形状的にも連続しない、９と１０と１１が１４と接触するために、１６の隅部にも成形素材が流れ込んでしまい、極端に高精度なプレス圧や、ガラスブランクの形状や、温度等の制御を行わない限り、成形品にはバリ、カケ、ワレといった成形不良が、型の摺動部の隙間以外にも生じてしまう問題がある。

図１に示した型を熱間のプレス成形により製造する、本発明の請求項４に記載の方法を、図２を参照しながら説明する。

図２の(a)はプレス前の状態で、１７のガラス製の成形素材が１８の超硬合金製の下型に戴置されている。１７は軟化状態になり成形可能な素材であれば、例えば、アモルファス合金（Ｚｒ基、Ｆｅ基、Ｐｄ基等）であっても良い。１８はセラミックスや、金属等でも良く、１７を成形する温度から室温までの温度変化に伴う熱応力の発生量を考慮して１７の成形素材の熱膨張係数と近いものを選択する。硬度に関しては、当然ながら、１７が軟化する温度で１８が軟化してしまうような材質を選択するのは、精度上、望ましくない。図２の(b)は、１９の上型により、１７が熱間プレスされた直後の状態を示している。１９には、所望の形状で２０の光学機能面、２１の側面、２２のつなぎ面が形成されており、これらが、１７に転写され１７aの形状となっている。図２の(c)のように１９を離型することで、２３の本発明の成形型を得ることができる。

掘り込みタイプの型であるが故に、以上の製造方法の中で特に注意すべき点は、１７と１８と１９の熱膨張係数αの関係であり、図２の(c)の状態で、１９が２３から抜けなくなるような、αの組合せで成形してはいけない。つまり、１７のαをα１、１８のαをα２、１９のαをα３、としたときに、α１≒α２＜α３の関係となるようにする。但し、α１はＴｇ付近を境に大きく値が変化するので、Ｔｇ以下のα値で考えるものとする。α１とα３の差は作製する型の寸法と材質にもよるが、１×１０^−６[/℃]以上ある方が図３(c)の離型を容易に行うことができるので望ましい。１９の材質に関しては熱膨張係数の調整範囲が比較的広い、超硬合金やセラミックスを使用すると容易に良離型の条件を見つけることができるので良い。

又、１９が２３から抜けなくなる問題に関しては抜き勾配を１９の転写面につけておくことで対応しても良い。図２（b）から(c)までの温度制御に関しては、成形温度からＴｇ付近まではできるだけ冷却速度を遅くする方が、１７と１８との若干のα差により生じる、１７a内部の残留応力が小さくなり、１７aが２３から剥離することを防止できるので良い。但し、剥離しても脱落しないような逆楔形状等で１７aと１８を接合するようなときは、剥離は特に問題にならない。１７aの厚みは、前記残留応力の問題及びヒケ等の成形不良の問題に対して有利なため、１７aが破砕しなければ、なるべく薄くすると良い（〜０．５ｍｍ程度）。

２３を型として使用する前には、転写面に対し炭素や貴金属やセラミックス等の離型膜をスパッタ装置等により成膜しておくと、ガラスやプラスチックスが型へ融着することや、磨耗を防止できるので望ましい。

図３は本発明である請求項１に記載の成形型の代表的な形態である。

２４は光学機能面、２５は２４の周囲にある側面、２６は２４と２５とを繋ぐつなぎ面である。２７の胴型によって２８の型と、本発明である２９のガラス若しくはアモルファス合金製の部材が位置合わせされている。２４と２５と２６の形状は熱間プレスにより形成されているが、上述したように、２９の熱膨張係数α４と、図示していない２４と２５と２６の形状を加工した部材の熱膨張係数α５を、α４＜α５を満足するような関係にするか、抜き勾配を持たせないと成形が困難となる。この型構成による光学素子の成形は、軟化した３０のガラスブランクを２８でプレスすることにより行われ、本発明の２９によると、成形品には、２５と２８との嵌合部の隙間を除き、バリ、カケが生じることはない。

図４は本発明である請求項３に記載の成形型の代表的な形態である。

上述した図３の形態と異なるのは、図４の型構成には図３の２７の胴型が無いことであり、代わりに３０の側面が３１のガイド面の役割を兼ねており、本発明である３２の部材と、３３のプレス用の型とが位置合わせされている。この方式にすることにより、３２と３３の位置ズレの原因となる嵌合部を１つにすることができ、高精度な位置決めに有利な型構造となる。

図５にはプラスチックス射出成形用の、本発明の請求項２に記載の成形型の代表図を示す。

３４は光学機能面で、３５は光学機能面の周囲に配置された側面で、３６は３４と３５の面を繋ぐつなぎ面である。３７のハッチング部分は、薄肉状の部材で、ここではホウケイ酸ガラス（平均熱膨張係数（３０〜５００℃）＝５×１０^―６[/℃]）を用いている。３７と３８のガイド部材との接合は逆楔形状および３７を薄肉とすることで、３７の剥離及び脱落を防止している。本実施例の成形型を用いると、前記３４と３５と３６の３つの面が材料的にも形状的にも連続であるために、３９のゲート部よりプラスチックスの成形素材が射出されてきても、嵌合部を除き、４１の光学素子にバリ、カケ等は発生しない。

又、４１の光学素子に対応する形状を型に機械加工することが困難であればあるほど、熱間プレスにより、３４と３５と３６を形成する本発明の成形型の方が製造コストを低く抑えることができる。従って、本発明の成形型及びその製造方法は、形状展開性に優れていると言える。更に、４２のガイドピンの嵌合穴を有するガイド部材３８に靭性の高い材料を選択したときは、ワレやカケの生じ易いガラス型の欠点を補うことができる。ここでは、３８の材質を、３７の熱膨張係数と同じ値を持ち、且つ、靭性がガラスよりも優れる、ＷＣ基の超硬合金（平均熱膨張係数（３０〜５００℃）＝５×１０^―６[/℃]）を選択した。

本発明の請求項２に記載の成形型の一例（断面図）である。 本発明の請求項４に記載の成形型の製造方法の概略図（断面図）である。 本発明の請求項１に記載の成形型の一例（断面図）である。 本発明の請求項３に記載の成形型の一例（断面図）である。 本発明の請求項２に記載の成形型の一例（断面図）である。 従来例の成形型の一例である。

符号の説明

１ 光学機能面
２ 側面
３ つなぎ面
４ 薄肉状のガラス若しくはアモルファス合金部材
５ プレス用型
６ 光学素子成形品
７ ガイド部材
８ ガイド面
９ 光学機能面
１０ 側面
１１ つなぎ面
１２ ガラス部材
１３ 下型
１４ ガラスブランク
１５ プレス用型
１６ 隅部
１７ ガラス若しくはアモルファス合金素材
１７ａ 成形後のガラス若しくはアモルファス合金部材
１８ 下型（ガイド部材）
１９ 上型
２０ 光学機能面
２１ 側面
２２ つなぎ面
２３ 本発明の成形型
２４ 光学機能面
２５ 側面
２６ つなぎ面
２７ 胴型
２８ プレス用型
２９ ガラス若しくはアモルファス合金部材
３０ ガラスブランク
３１ ガイド面
３２ ガラス若しくはアモルファス合金部材
３３ プレス用型
３４ 光学機能面
３５ 側面
３６ つなぎ面
３７ 薄肉状のガラス部材
３８ ガイド部材
３９ ゲート
４０ 嵌合部
４１ 光学素子
４２ ガイドピン

Claims (4)

1. 光学機能面と、前記光学機能面の周りに配置された側面と、前記２つの面を繋ぐつなぎ面と、が材料的に連続しており、前記３つの面のそれぞれの面の少なくとも一部が成形時に転写面として使用され、且つ、前記３つの面は熱間プレスにより成形されており、且つ、前記３つの面がガラス若しくはアモルファス合金製であることを特徴とする光学素子成形型。
2. 光学機能面と、前記光学機能面の周りに配置された側面と、前記２つの面を繋ぐつなぎ面と、が材料的に連続しており、前記３つの面のそれぞれの面の少なくとも一部が成形時に転写面として使用され、且つ、前記３つの面は熱間プレスにより成形されており、且つ、前記３つの面がガラス若しくはアモルファス合金製であり、且つ、前記３つの面を有する部材の周囲に、型をガイドするガイド部材が一体的に接合されていることを特徴とする光学素子成形型。
3. 側面が型をガイドするガイド面であることを特徴とする請求項１記載の光学素子成形型。
4. 光学機能面と前記光学機能面の周りに配置された側面と、前記２つの面を繋ぐつなぎ面とを熱間プレスで成形すると同時に、前記３つの面を有する部材の周囲にガイド部材を一体的に接合させることを特徴とする請求項２記載の光学素子成形型。

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