JP2006281765A - 光学素子の表面精度改善方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金型のコアの移動によって、光学素子とその基準面の構造に与える影響を抑制し、前記光学素子の表面精度を高める光学素子の表面精度改善方法及びその装置を提供する。
【解決手段】成型する金型によって光学素子の表面精度を高める方法であって、該光学素子は少なくとも２つのブロックを備え、前記金型は少なくとも固定側コアと、固定側型板と、可動側コアと、可動側型板と、これらのコアの間に形成されるキャビティと、を含み、溶解した前記光学素子の原料を前記金型のスプルーから前記キャビティに注入し、前記金型を開閉させる等の工程を経て前記光学素子を前記キャビティ内に形成し、前記金型の可動側コアの前記光学素子の両ブロックに対応する構造に一体化設計の方式を採用し、成型の過程において前記可動側コアが前記キャビティ内を移動する場合、前記光学素子の両ブロックの位置関係に影響を与えないように構成する。
【選択図】図５Ａ

Description

この発明は光学素子に関し、特にプラスチック剤を射出成型して形成される光学素子の表面精度を高める方法、及びその装置に関する。

目下、光学レンズは高精密度光学素子として幅広く応用されている。光学レンズは材質の違いによって２種類に大別される。即ち、ガラスレンズとプラスチックレンズである。ガラスレンズは荒摺り精密研磨、荒摺りなどの製造工程を経るため製造コストが高くなる。プラスチック剤によるレンズは、射出成型によって大量生産できるため、製造コストが低いといった特徴を有するのみならず、更には軽量で、且つ可塑性が大きいなどの特徴を有する。従って、ほとんどの消耗品には、目下プラスチックレンズが採用されている。

射出成型は、光学プラスチック剤を過熱して流体にし、一定量を金型に注入し、加熱・加圧の条件において成型し、冷却して固形化した後、離型して必要とする光学プラスチック部材を得るものである。光学プラスチックの射出成型は技術上のキーポイントが金型にある。特に、コアの設計及びスプルーとゲートの位置の選択はいずれもプラスチックレンズの光学的精度に直接影響を与える。射出成型した後のレンズ表面に精度不良が発生した場合（例えば設計値に基づいて軸対称加工を行った場合、ゲートの位置、金型の温度などの要素の影響を受けて射出成型した後収縮が発生し、レンズが非軸対称になるといった状況など）、対称性のコアの形状で面型の補償を行うことが難しくなる。プラスチックレンズは目下小型化の方向に向かって発展している。よって、レンズの光学的設計、及び機械的設計についても要求が厳格になっている。プラスチックレンズ上に支持面を設計することが必要になった場合、金型の設計に対する要求はますます高くなる。しかしながら非球面コアを作成する工程は煩雑であり、且つ真円度、連続切削、及び光の屈折などに対して考慮しなければならない。よって、今日に至るも業者はいずれも有効径の範囲を大きくしてレンズ面の設計サイズとしている。このため、目下のプラスチックレンズは、図１に開示するように射出成型する場合の離型面の位置によって２つのブロックに分けられる。

図１は、従来のプラスチックレンズの構造を示した説明図である。プラスチックレンズ１０の第１ブロックは光学的領域１１、１２であって、その有効径はＤ１である。第２ブロックはレンズがその他部材を支持する基準面１３、１４である。一般的に言えば第２ブロックが大きいほど基準面１３、１４の支持精度が高くなる。当然のことながらプラスチックレンズ１０の他の光学的表面にも２つのブロックが形成される。即ち、光学的有効領域１５、１６及び基準面１７であって、光学的有効領域１５、１６の有効径をＤ２とする。

図２に従来の射出成型用の金型を開示する。図面によれば金型２０は固定側コア２１、固定側型板２２、可動側コア２３、可動側型板２４を備え、これらコアと型板との間にキャビティ２５を形成する。固定側のレンズが離型しやすいようにレンズ支持形状を可動側に設ける。プラスチックレンズ１０の２つのブロックの違いに基づき、金型２０の可動側コア２３はプラスチックレンズ１０の第１ブロック（即ち光学的有効領域１１、１２）に対応させ、可動側の型板２４はプラスチックレンズ１０の第２ブロック（即ち基準面１３、１４）に対応させる。

また、金型２０の同軸見切り面２６は、可動側型板２４上に位置し、垂直見切り面２７は固定側コア２１上に位置する。スプルー２８の位置は図示のように設計する。スプルー２８の位置を設定し後、スプルー２８からキャビティ２５内にプラスチック剤を注入し、冷却した後、離型させて完成品を取り出す。

プラスチックレンズ１０の支持形状は、金型２０の可動側に設けられる。レンズの第１ブロックと第２ブロックの位置関係は、コアと型板の関係によって決まる。よって、可動側コア２３の移動はレンズと基準面構造の関連性に直接影響を与え、甚だしくはレンズとレンズコーン、及びその他部材との位置関係に影響を与える。

図３に開示するように、プラスチックレンズ１０をレンズコーン３０に設ける場合、プラスチックレンズ１０の位置はパッド３１の厚さａによって決まる。パッド３１の厚さａが確定すると、プラスチックレンズ１０の光学的有効領域１１、１２、及び基準面１３などの幾何形状の位置関係も決まる。プラスチックレンズ１０を射出成型した場合、仮に光学的有効範囲１２と基準面１３との間に誤差δ（図４参照）が発生すると、レンズコーン３０上のサイズｃは本来のａ−ｋがａ−ｋ＋δとなる。このためレンズコーン３０上のレンズ間の距離に変化が発生し、光学システムはピントを合わすことができなくなる。しかも、その他光学的画像の差が発生するという問題が発生する。

図５Ａに他のプラスチックレンズを開示する。図面によれば、プラスチックレンズ５０は第１ブロックが光学的有効領域５１、５２（その有効径はＤ３、Ｄ４である）であって、第２ブロックが基準面５３、５４である。また、プラスチックレンズ５０は厚さの違いによって厚い部分Ｄと薄い部分Ｔとに分けられる。

プラスチックレンズ５０を製造する金型４０の構造は図５Ｂに開示するとおりである。金型４０は、固定側コア４１と、固定側型板４２と、可動側コア４３と、可動側型板４４とを含み、これらコアと型板によってキャビティ４５を形成する。可動側コア４３の移動はプラスチックレンズ５０の構造と、及びレンズコーン３０におけるその他部材との位置関係に直接影響を与える。

以上の分析から分かるように、成型した後のプラスチックレンズの基準面が精確であって、はじめてレンズコーン３０におけるそれぞれの部材とプラスチックレンズとの正確な相対的な位置関係が得られる。但し、従来の金型におけるコアの移動はプラスチックレンズの品質に直接影響を与える。このため精度の要求を達成することが難しくなる。

従来の金型の設計がプラスチックレンズ１０、５０の表面精度に影響を与える他の原因として、スプルー２８、４８の位置の設定が挙げられる。即ち、プラスチックを射出成型する場合、キャビティの形状の関係で、キャビティ内において圧力が上昇して低圧から高圧になり、ランナーに至るまで注入が完了すると、射出の圧力は保持状態となる。次いで圧力が持続して上昇し、最高値に至る。この場合、スプルーが閉鎖して保持状態の圧力ではプラスチック剤を引き続き注入することができなくなる。

しかしながら、金型２０、４０にプラスチックを注入する過程において、キャビティ２５、４５内のスプルー２８、４６から近い位置、または成型した後のプラスチックレンズ１０、５０の薄い部分に対応するキャビティの位置に溶解したプラスチックが短時間で充満するが、キャビティ２５、４５内のスプルー２８、４６から遠い位置、または成型した後のプラスチックレンズ１０、５０の厚い部分に対応するキャビティの位置については、溶解したプラスチックが高い粘度を有するため流動に対する抵抗力が発生して充填する速度に影響を与える。即ち、充填される時間の差によってキャビティ２５、４５内のそれぞれの位置におけるプラスチックの温度が不均一になり、充填される時間の差がますます大きくなる。例えば、プラスチックレンズ５０を成型する場合、キャビティ４５は可動側コア４３に向かって内部が凹状になる。従来のスプルー４６はキャビティ４５の右上の角に設けられる。キャビティ４５の凹状の部分（プラスチックレンズ５０の厚い部分Ｄに対応する部分）は、スプルー４６から離れているため迅速に充填することが難しい。このためプラスチックの充填速度と温度の分布が不均一になる。

同様に、プラスチックレンズ１０を成型する場合、キャビティ２５の一部が可動側コア２１に向かって内部が凹状になる。他の部分も可動側コア２１に向かって内部が凹状になるが、凹状の窪みがさらに大きくなる。キャビティ２５の凹状の窪みが大きい部分は、スプルー２８から離れているため温度の分布が不均一になるという現象が存在する。

また、金型を冷却する過程においては、プラスチックレンズの充填温度と厚さの差異が存在すると、冷却速度に差が発生する。例えば、冷却時にキャビティ内の圧力が減少するが、プラスチックレンズの薄い部分は冷却速度が速く、厚い部分は冷却速度が遅く、有る程度の圧力と高温を維持する。かかる温度の差によってプラスチックレンズ内に応力が発生し、収縮量が不均一になり、その結果プラスチックレンズの表面形状の不良を招く。したがって、従来のプラスチックレンズの成型方法を改善し、表面精度を高める必要がある。

この発明は、金型のコアの移動によって、光学素子とその基準面の構造に与える影響を抑制し、該光学素子の表面精度を高める光学素子の表面精度改善方法及びその装置を提供することを課題とする。

また、この発明は金型のスプルーと光学素子の相対的な位置を変更することによって該光学素子の表面精度を高める光学素子の表面精度改善方法及びその装置を提供することを課題とする。

そこで、本発明者は従来の技術に見られる欠点に鑑み鋭意研究を重ねた結果、成型する金型によって光学素子の表面精度を高める方法であって、前記光学素子は少なくとも２つのブロックを備え、前記金型は少なくとも固定側コアと、固定側型板と、可動側コアと、可動側型板と、これらのコアの間に形成されるキャビティとを含み、溶解した前記光学素子の原料を前記金型のスプルーから前記キャビティに注入し、金型を開閉させる等の工程を経て前記光学素子を前記キャビティ内に形成し、前記金型の可動側コアの前記光学素子の両ブロックに対応する構造に一体化設計の方式を採用し、成型の過程において前記可動側コアが前記キャビティ内を移動する場合、前記光学素子の両ブロックの位置関係に影響を与えないように構成する光学素子の表面精度改善方法によって課題を解決できる点に着眼し、かかる知見に基づいて本発明を完成させた。

以下、この発明について具体的に説明する。
請求項１に記載する光学素子の表面精度改善方法は、成型する金型によって光学素子の表面精度を高める方法であって、前記光学素子は少なくとも２つのブロックを備え、前記金型は少なくとも固定側コアと、固定側型板と、可動側コアと、可動側型板と、これらのコアの間に形成されるキャビティとを含み、溶解した前記光学素子の原料を前記金型のスプルーから前記キャビティに注入し、前記金型を開閉させる等の工程を経て前記光学素子を前記キャビティ内に形成し、
前記金型の可動側コアの前記光学素子の両ブロックに対応する構造に一体化設計の方式を採用し、成型の過程において前記可動側コアが前記キャビティ内を移動する場合、前記光学素子の両ブロックの位置関係に影響を与えないようにする。

請求項２に記載する光学素子の表面精度改善方法は、請求項１におけるキャビティの形状が、前記光学素子の形状と同一である。

請求項３に記載する光学素子の表面精度改善方法は、請求項２における光学素子が、異なる厚さを備えるプラスチックレンズである。

請求項４に記載する光学素子の表面精度改善方法は、請求項３における金型のスプルーの位置が、前記キャビティの前記プラスチックレンズの厚い部分に対応する位置に近い位置に設けられる。

請求項５に記載する光学素子の表面精度改善方法は、請求項２における光学素子が、比較的大きな凸部を有するプラスチックレンズである。

請求項６に記載する光学素子の表面精度改善方法は、請求項５における金型のスプルーの位置が、前記キャビティの前記プラスチックレンズの比較的大きな凸部に対応する位置に近い位置に設けられる。

請求項７に記載する光学素子の表面精度改善方法は、請求項１におけるプラスチックレンズの二つのブロックが、光学的有効領域と、レンズをその他部材に支持する基準面と、である。

請求項８に記載する光学素子の表面精度改善方法は、請求項１から７の何れか１項における前記金型の可動側コアの前記プラスチックレンズの光学的有効領域及び基準面に対応する構造が切削加工で一体成型される。

請求項９に記載する光学素子の表面精度改善方法は、請求項８における金型の固定側コアに一体化成型構造を採用し、前記固定側コアの前記光学素子の両ブロックに対応する構造が一体加工成型される。

本発明の光学素子の表面精度改善方法は、プラスチックレンズの成型方法を改善し、プラスチックレンズの表面精度を高め、且つプラスチックレンズを用いた光学システムの精確な機能を発揮させるといった効果がある。

この発明においては、光学素子を射出成型する金型に改良を加えて、光学素子の表面精度を高めるという目的を実現した。即ち、金型のスプルーのサイズを変えることなく、その位置を変更した場合、光学素子の剪断応力、波頭（ウェーブフロント）、及び内応力のいずれもが異なったものになる。例えば、スプルーの移動量を０．０５ｍｍのみとし、成型条件を変更しない場合、光学素子を成型した後の表面形状精度は明らかに高くなる。よって、金型のスプルーとコアの相対関係は、この発明の目的である光学素子の表面精度の改善に重要な作用を与える。

この発明においてプラスチックレンズを成型する金型は、固定型コアと、固定側型板と、可動側コアと、可動側型板とを含み基本的構造を構成し、かつ、これらのコアと型板との間にキャビティを形成する。該キャビティの形状はプラスチックレンズの形状と同様であって、該キャビティに溶解したプラスチック材を充填する。かかる金型にプラスチックを注入し、金型を閉じて、冷却し、金型を開ける過程を経てプラスチックレンズを該キャビティ内に形成してなる光学素子を得る。

また、この発明における金型はコアを一体化する。この点において従来の金型と異なる。係る金型を利用した光学素子の表面精度改善方法及びその装置について、その構造と特徴を詳述するために具体的な実施例を挙げ、以下に説明する。

（実施例）
図６に開示するように、この発明による射出成型用の金型６０は、コアを一体化した点において従来の金型と異なる。当然のことながらコアを一体化できるように設計する概念に基づくものであるが、係る概念を可動側コアと固定側コアとに同時に応用することができる。

いわゆる一体化とは、従来のコアにおいてプラスチックレンズ１０の有効径内（即ち、有効領域１１、１２）及び有効径外（基準面１３、１４）の構造をターニングさせて形成することを指し、得られるコアの熱伝導率も同様にする。係る構造によりプラスチックレンズ表面の精度を改善することができる。

また、金型６０の可動側コア６１は、同時にプラスチックレンズ１０の光学的有効領域１１、１２及び基準面１３、１４に対応する。よって、コア６１が移動する場合、プラスチックレンズ１０と基準面１３、１４との構造的関連性に影響を与えることがない。但し、スプルー６２とプラスチックレンズ１０との相対的な位置を変更することによって、レンズに発生する球面非対称等の状況を改善することができる。

この発明について更に詳しく説明するために、図７にプラスチックレンズ５０を射出成型する金型７０の構造を開示する。金型７０は、可動側コア７１と固定側コア７２のいずれも一体化設計構造を採用する。コアの熱伝導率は同一であって、プラスチックレンズの表面形状の精度を改善することができる。

金型７０は、スプルー７３の位置を調整することによってキャビティ７４の凹状の窪み（即ち、プラスチックレンズ５０の厚い部分Ｄに対応する位置）とスプルー７３との間の距離を短縮する。モールドフロー分析から分かるように、キャビティ７４内の各部位の温度の分布が均一化される。このため、レンズの球面非対称等の状況が改善され、プラスチックレンズ５０の表面形状の精度を高めることができる。

この発明におけるプラスチックレンズ１０とプラスチックレンズ５０は、厚さが異なるが両者はいずれも比較的大きな凸部を有する。プラスチックレンズ１０の光学的有効領域１１の箇所に凸部を形成し、プラスチックレンズ５０の光学的領域５１にも凸部を形成する。また、プラスチックレンズ１０、５０に対応するキャビティ６３、７４の内部には、比較的大きな凹状の窪みを形成する。よって、スプルー６２、７３の位置を調整し、キャビティ６３、７４内の凹状の窪みと、スプルー６２、７３との間の距離を短縮してレンズの表面形状の精度を高める。

従来の技術に係る説明から分かるように、プラスチックをキャビティ内に注入すると、プラスチックレンズ１０、５０の厚さの違いによって成型過程における温度差が発生し、プラスチックレンズ１０、５０の表面形状に影響を与える。この発明においてはコア６１、７１の移動によってスプルー６２、７３のプラスチックレンズ１０、５０上の相対的な位置を調整する。また、モールドフロー分析から分かるように、スプルー６２、７３の移動はキャビティ内のブロックを形成する樹脂の温度に、従来の技術に比して１０℃近い差が発生する。このためプラスチックレンズは均一に冷却し、最終的にプラスチックレンズ１０、５０の表面精度を高めることができる。また、成型したプラスチックレンズ１０、５０は、レンズコーン３０内のそれぞれのレンズの間の距離の関係に影響を与えない。このため、光学システムにおけるレンズの精確度を確保し、光学システムの完全な機能を発揮させることができる。

以上はこの発明の好ましい実施例であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するものは、いずれも本発明の特許請求の範囲に属するものとする。

従来のプラスチックレンズの構造を示した説明図である。 図１に開示するプラスチックレンズを成型する従来の金型の構造を示した説明図である。 図１に開示するプラスチックレンズをレンズコーンに設けた場合のその他部材との位置関係を示した説明図である。 図２に開示する金型で射出成型を行ったプラスチックレンズの基準面に誤差が生じた状況を示した説明図である。 従来の他の形態のプラスチックレンズの構造を示した説明図である。 図５Ａに開示するプラスチックレンズを射出成型する金型の構造を示した説明図である。 図１に開示するプラスチックレンズを射出成型するための、この発明の金型の構造を示した説明図である。 図５Ａに開示するプラスチックレンズを射出成型するための、この発明の金型の構造を示した説明図である。

符号の説明

１０、５０ プラスチックレンズ
１３、１４、１７、５３、５４ 基準面
１１、１２、１５、１６、５１、５２ 光学的有効領域
２０、４０、６０、７０ 金型
２１、４１、７２ 固定側コア
２２、４２ 固定側型板
２３、４３、６１、７１ 可動側コア
２４、４４ 可動側型板
２５、４５、６３、７４ キャビティ
２６ 同軸見切り面
２７ 垂直見切り面
２８、４６、６２、７３ スプルー
３０ レンズコーン
３１ パッド

Claims (9)

1. 成型する金型によって光学素子の表面精度を高める方法であって、前記光学素子は少なくとも２つのブロックを備え、前記金型は少なくとも固定側コアと、固定側型板と、可動側コアと、可動側型板と、これらのコアの間に形成されるキャビティとを含み、溶解した前記光学素子の原料を前記金型のスプルーから前記キャビティに注入し、前記金型を開閉させる等の工程を経て前記光学素子を前記キャビティ内に形成し、
   前記金型の可動側コアの前記光学素子の両ブロックに対応する構造に一体化設計の方式を採用し、成型の過程において前記可動側コアが前記キャビティ内を移動する場合、前記光学素子の両ブロックの位置関係に影響を与えないようにすることを特徴とする光学素子の表面精度改善方法。
2. 前記キャビティの形状が、前記光学素子の形状と同一であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の表面精度改善方法。
3. 前記光学素子が、異なる厚さを備えるプラスチックレンズであることを特徴とする請求項２に記載の光学素子の表面精度改善方法。
4. 前記金型のスプルーの位置が、前記キャビティの前記プラスチックレンズの厚い部分に対応する位置に近い位置に設けられることを特徴とする請求項３に記載の光学素子の表面精度改善方法。
5. 前記光学素子が、比較的大きな凸部を有するプラスチックレンズであることを特徴とする請求項２に記載の光学素子の表面精度改善方法。
6. 前記金型のスプルーの位置が、前記キャビティの前記プラスチックレンズの比較的大きな凸部に対応する位置に近い位置に設けられることを特徴とする請求項５に記載の光学素子の表面精度改善方法。
7. 前記プラスチックレンズの二つのブロックが、光学的有効領域と、レンズをその他部材に支持する基準面と、であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の表面精度改善方法。
8. 前記金型の可動側コアの前記プラスチックレンズの光学的有効領域及び基準面に対応する構造が切削加工で一体成型されることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の光学素子の表面精度改善方法。
9. 前記金型の固定側コアに一体化成型構造を採用し、前記固定側コアの前記光学素子の両ブロックに対応する構造が一体加工成型されることを特徴とする請求項８に記載の光学素子の表面精度改善方法。

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