JP2006321168A - Die for molding optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学機器に使用される光学素子を成形するための光学素子成形金型に関するものである。 The present invention relates to an optical element molding die for molding an optical element used in an optical apparatus.
近年、光学機器に使用される光学素子は光学素子成形金型を用いて成形されており、各社で量産されている。光学機器の大容量化,高性能化,小型化に伴って、光学素子の各部精度は厳しくなってきており、それに追従するように光学素子成形金型の各部精度、および組み合わせ時の精度も厳しくなってきている。 In recent years, optical elements used in optical devices have been molded using optical element molding dies and are mass-produced by various companies. With the increase in capacity, performance, and miniaturization of optical equipment, the precision of each part of the optical element has become strict, and the precision of each part of the optical element molding die and the precision when combined are also strict. It has become to.
光学素子として光軸のズレや傾きの少ない高精度な光学素子成形品を得るためには、成形金型における成形面同士の軸心のズレや傾きを抑えることが重要である。これを達成するための手段として、例えば特許文献1に記載されるように、成形金型の軸心のズレおよび軸心の傾きを、胴型によって規制する方法が開示されている。 In order to obtain a highly accurate optical element molded product with little optical axis deviation and inclination as an optical element, it is important to suppress deviation and inclination of the axial centers of molding surfaces in the molding die. As means for achieving this, for example, as described in Patent Document 1, a method of regulating the deviation of the axis of the molding die and the inclination of the axis by a body mold is disclosed.
図7には、特許文献1に示される、従来法により光学素子を成形する成形金型の断面図を示す。図7に示すように、胴型3は所定のセラミックス材料で形成されており、軸心に貫通穴3aが設けられている。貫通穴3aは、光学素子素材4を所望の光学素子形状に成形するキャビティの役割を果たすとともに、両端開口部より胴型3に嵌合する上型1および下型2を所定の位置関係に維持する。すなわち、下型2と上型1の軸心のズレおよび傾きを、所望の精度に収める機能を有している。
FIG. 7 shows a cross-sectional view of a molding die for molding an optical element by a conventional method disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. 7, the
また、上型1の挿入深さは、胴型ホルダー5の上面に上型1のフランジ部6が当接してきまる。つまり、上型1のフランジ部6と胴型ホルダー5によって、成形後の光学素子素材4の肉厚が規制され制御される構成となっている。
しかしながら、前記従来の光学素子成形装置では、以下のような課題があった。図7に示すように、胴型3の貫通穴3a内を上型1が摺動する部分によって、成形する光学素子の軸ズレや傾きを規制する構成となっている。したがって、成形する光学素子の軸心ズレや傾きが所望の精度に収まっていない場合には、胴型3および上型1の調整あるいは作り直しが必要となる。
However, the conventional optical element molding apparatus has the following problems. As shown in FIG. 7, the axial displacement and the inclination of the optical element to be molded are regulated by the portion where the upper mold 1 slides in the through hole 3 a of the
また、この場合、胴型3の貫通穴3aと上型1および下型2を摺動させて組合すことになり、そのためのクリアランスが必要となる。これによって完成した成形品は、そのクリアランス分の軸心のズレや傾きを持つことになるという問題があった。
In this case, the through-hole 3a of the
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、軸心ズレや傾きを取り除いた光学素子を成形し、高精度な光学素子を提供することを目的とする。 The present invention is directed to solving the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a highly accurate optical element by molding an optical element from which axial misalignment and inclination are removed.
前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項1に記載した光学素子成形金型は、上型と下型により加圧して光学素子を成形する光学素子成形金型において、上型および下型の光学素子成形面の外側に、規制形状部を設けたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an optical element molding die according to claim 1 according to the present invention is an optical element molding die for molding an optical element by pressing with an upper mold and a lower mold. A restriction shape portion is provided outside the lower mold optical element molding surface.
また、請求項2に記載した光学素子成形金型は、請求項1の光学素子成形金型において、上型および下型の規制形状部が、半円状あるいはテーパ状のいずれかの断面形状、または半円状およびテーパ状を組み合わせた断面形状であることを特徴とする。
Further, the optical element molding die described in
また、請求項3,4に記載した光学素子成形金型は、請求項1,2の光学素子成形金型において、上型を加圧する加圧手段と接触する上型の圧面部分を球形状として、球形状の中心が上型の光学素子成形面の光軸上にあること、上型および下型の規制形状部は、テーパ状の断面形状であり、テーパ状の断面と光学素子の加圧成形方向に垂直な面とのなす角度が5°以上75°以下であることを特徴とする。
Further, in the optical element molding die according to
また、請求項5〜7記載した光学素子成形金型は、請求項1〜4の光学素子成形金型において、上型および下型の規制形状部が、エアー抜き用の溝部を有すること、さらに、上型および下型の材料が、タングステンカーバイト(WC)を主成分とする超硬合金、またはシリコンカーバイド(SiC)、またはチタンナイトライド(TiN),チタンカーバイド(TiC),クロムカーバイド(Cr3C2),アルミナ(Al2O3)を主成分とするサーメット、またはアルミナ(Al2O3),サファイヤ(Al2O3),クロムカーバイド(Cr3C2),窒化珪素(Si3N4),窒化硼素(BN)を主成分とするセラミックスのいずれかを用いること、さらに、上型および下型の規制形状部の規制形状を、上型と下型のそれぞれにおいて光学素子成形面と同時加工することを特徴とする。 Further, in the optical element molding die according to any one of claims 5 to 7, in the optical element molding die according to claims 1 to 4, the restriction shape portions of the upper die and the lower die have groove portions for air venting, The upper mold and lower mold materials are cemented carbides mainly composed of tungsten carbide (WC), silicon carbide (SiC), titanium nitride (TiN), titanium carbide (TiC), chromium carbide (Cr 3 C 2 ), cermet mainly composed of alumina (Al 2 O 3 ), or alumina (Al 2 O 3 ), sapphire (Al 2 O 3 ), chromium carbide (Cr 3 C 2 ), silicon nitride (Si 3) N 4), the use of any of ceramics mainly boron nitride (BN), further, the regulation shape of the regulating members of the upper and lower molds, the upper and lower molds Characterized by simultaneous machining an optical element molding surface in each.
前記構成によれば、上型と下型の光学素子成形面の外側に規制形状を設けることによって、光学素子の上型と下型における成形時の軸心のズレと傾きとを制御することが可能となり、光学素子成形面と規制形状を同時加工することにより光学素子の肉厚の微調整も制御することができる。 According to the above-described configuration, it is possible to control the shift and inclination of the axial center at the time of molding in the upper mold and the lower mold of the optical element by providing the restriction shape outside the molding surfaces of the upper mold and the lower mold. It becomes possible, and fine adjustment of the thickness of the optical element can be controlled by simultaneously processing the optical element molding surface and the restriction shape.
本発明によれば、成形時の光学素子の上型,下型の軸心のズレや傾きをなくすことができ、また光学素子の肉厚も微調整することが可能なので、光学素子を用いる機器の高性能化にも対応した高精度な光学素子を提供することができるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to eliminate misalignment or inclination of the upper and lower axes of the optical element during molding, and it is possible to finely adjust the thickness of the optical element. There is an effect that it is possible to provide a high-accuracy optical element that can cope with higher performance of the projector.
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の実施の形態1における光学素子成形金型の概略構成を示す断面図である。ここで、前記従来例を示す図7において説明した構成部材に対応し同等の機能を有するものには同一の符号を付して示し、以下の各図においても同様とする。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an optical element molding die according to Embodiment 1 of the present invention. Here, components having the same functions corresponding to the components described in FIG. 7 showing the conventional example are given the same reference numerals, and the same applies to the following drawings.
図1に示すように光学素子成形金型は、上型(第1金型)1,下型(第2金型)2、胴型3により構成されている。上型1,下型2は、例えばタングステンカーバイト(WC)を主成分とする超硬合金よりなり、それぞれ成形面1a,成形面2aが形成され、所望の光学素子形状に超精密加工されている。また、上型1の成形面1aの外側に規制形状部として、所定のテーパ角度θを持った断面形状がテーパ状である凸のテーパ部1bが、成形面1aと同時加工されている。
As shown in FIG. 1, the optical element molding die is composed of an upper die (first die) 1, a lower die (second die) 2, and a
同様に、下型2の成形面2aの外側にも規制形状部として、上型1のテーパ部1bと同じテーパ角度θを持った断面形状がテーパ状である凹のテーパ部2bが、成形面2aと同時加工にて形成されている。ここで、本実施の形態1において、テーパ部1bの面とテーパ部2bの面とのテーパ角度θは同じ角度としたが、必ずしもその限りではない。
Similarly, on the outside of the
図2に光学素子形状の超精密加工時における金型と砥石の配置および砥石の軌跡を示し、下型を加工する加工時の一例であって(a)は上面図、(b)は側面図を表す。下型2と加工工具の砥石10を図2(a),(b)のように被加工物である下型2の回転軸11に対して、砥石10の砥石回転軸12を所定の角度傾けて配置し、下型2は回転軸11を中心として回転させ、砥石10は砥石回転軸12を中心として高速回転させる。そして、砥石10を下型2に対して、相対的に軌跡10a上を移動させ、下型2の成形面2aおよび下型2のテーパ部2bを同時加工する。この際、成形面2aの面精度をより向上させるために、砥石10を2本以上取り付け、成形面2aとテーパ部2bを別々の砥石10により加工してもよい。ただし、1回の取り付けで同時に加工することとする。
FIG. 2 shows the arrangement of the mold and the grindstone and the trajectory of the grindstone at the time of ultra-precision machining of the optical element shape. FIG. Represents. As shown in FIGS. 2A and 2B, the
以上の構成により、光学素子の肉厚を制御する成形面2aと、光学素子の軸心合わせに用いるテーパ部2bを同時に加工することで、光学素子の肉厚を制御し、軸心のズレと傾きを取り除くことができる。
With the above configuration, by simultaneously processing the
図1に示すように、加圧手段9により上型1を加圧する加圧板7に接触する上型1の圧面部分1cには、頂点が上型1の中心線上、すなわち光学素子の成形面1aの中心を通る所定の球形状(本実施の形態1においては、直径「16mm」の平面に対して半径「16mm」の球面)を設け、光学素子成形時の加重が1点に掛かるようになっている。さらに、成形時の上型1,下型2のガイドの役目として胴型3があり、上型1,下型2の外径より所定の公差を持った貫通穴3aが形成されている。
As shown in FIG. 1, the pressure surface portion 1c of the upper mold 1 that contacts the
以上の光学素子成形金型を用いて、成形された光学素子の厚みは、上型1のテーパ部1bと下型2のテーパ部2bとが当接することによって決定される。また光軸のズレおよび傾きは、下型2に上型1を組み合わせて行くときに、テーパ部2bに沿ってテーパ部1bを組み合わすことによってなくすことができる。また、上型1の圧面部分1cに設けた所定の球形状により、成形時に下型2のテーパ部2bに上型1のテーパ部1bが沿う形で、加圧されるようになっているため、より成形後の光学素子の光軸のズレおよび傾きをなくす構成になっている。
Using the above optical element molding die, the thickness of the molded optical element is determined by the taper portion 1b of the upper mold 1 and the
また、テーパ角度θの下限値は上型1,下型2の軸心合わせ機能が最小限得られる角度として、諸実験の結果、テーパ角度θは5°となっている。上限値は金型素材の強度と成形加重の関係より導くことができ、本実施の形態1では、金型素材が超硬合金で成形加重が約100kgなので、図3のような結果が得られ、テーパ角度θは75°となる。よって、テーパ角度θは5°〜75°の範囲であればよい。比較例として、テーパ角度θが80°の金型を用いて成形すると金型は破壊し、テーパ角度θが3°の金型を用いて成形すると十分な軸心合わせ機能が得られず、所定の光学素子性能を満足することができなかった。
Further, the lower limit value of the taper angle θ is an angle at which the functions of aligning the upper die 1 and the
また、図4および図5には光学素子成形時のエアーを抜くための溝部の1例を示す図である。図4および図5は下型2の規制形状部のテーパ部2bに所定のエアー抜き用の溝2cを加工した(a)は上面図、(b)は側面図を示す。図4(a),(b)では幅0.6mmの溝を4本放射線状に設けて、成形時のエアーの排出を行った。また、図5(a),(b)では光学素子の全方位からエアーが抜けるように円弧状の幅0.4mmの溝2dより、幅0.6mmの溝2cを4本、外周に向けて放射線状に設けて、成形時のエアーの排出を行っている。
FIG. 4 and FIG. 5 are diagrams showing an example of a groove for removing air when molding an optical element. 4 and 5 show a predetermined
なお、エアー抜き用の溝2cの形状は必ずしもこの限りではないことはいうまでもない。また、本実施の形態1においては下型2のみにエアー抜き用の溝2cを設けたが、上型のみ、もしくは両方に設けてもよい。しかしながら、光学素子の成形に置いて特に必要でないとき、例えば光学素子素材4の充填率が低いときはエアー抜き用の溝2cはなくてもよいものとする。
Needless to say, the shape of the
本実施の形態1の光学素子成形金型と、比較例として図7に示す従来の光学素子成形金型を使用してレンズを成形したところ、本実施の形態1の成形金型において得られたレンズの1面,2面の軸ズレは1μm以下と良好であったが、従来の光学素子成形金型により得られたレンズは上型1と下型2と胴型3とのクリアランスが原因で軸ズレが2〜4μmあり、所定の光学性能を得ることができなかった。
When the lens was molded using the optical element molding die of Embodiment 1 and the conventional optical element molding die shown in FIG. 7 as a comparative example, the lens was obtained in the molding die of Embodiment 1. The axial displacement between the first and second surfaces of the lens was as good as 1 μm or less, but the lens obtained by the conventional optical element molding die was caused by the clearance between the upper mold 1, the
図6は本発明の実施の形態2における光学素子成形金型の概略構成を示す断面図である。図6に示すように光学素子成形金型は、上型1,下型2,胴型3により構成されている。この上型1,下型2はシリコンカーバイド(SiC)よりなり、それぞれ成形面1a,成形面2aが形成され、所望の光学素子形状に超精密加工されている。また、上型1の成形面1aの外側に規制形状部として、所定の半径を持った断面形状が半円状である凹の半円部1eが、成形面1aと同時加工されている。同様に、下型2の成形面2aの外側にも規制形状部として、所定の半径を持った断面形状が半円状である凸の半円部2eが、成形面2aと同時加工にて形成されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an optical element molding die according to
成形時の上型1,下型2のガイドの役目として胴型3があり、上型1,下型2の外径より所定の公差を持った貫通穴3aが形成されている。
The
以上の光学素子成形金型を用いて、成形された光学素子の厚みは、上型1の半円部1eと下型2の半円部2eとが当接することによって決定される。また、光軸のズレおよび傾きは、下型2に上型1を組み合わせて行くときに、下型2の半円部2eと上型1の半円部1eを組み合わすことによりなくすことができる。
The thickness of the optical element molded using the optical element molding die described above is determined by the semicircular part 1e of the upper mold 1 and the semicircular part 2e of the
ここで、本実施の形態2においても、前述の実施の形態1と同様に光学素子成形金型を使用してレンズを成形したところ、得られたレンズの1面,2面の軸ズレは1μm以下と良好であった。 Here, also in the second embodiment, when the lens is molded using the optical element molding die as in the first embodiment, the axial displacement between the first and second surfaces of the obtained lens is 1 μm. It was as good as below.
また、実施の形態1,2における金型素材の例として、タングステンカーバイト(WC)を主成分とする超硬合金,シリコンカーバイド(SiC)を使用したが、光学鏡面が得られ、光学素子素材の成形温度に耐えることのできる素材、例えばチタンナイトライド(TiN),チタンカーバイド(TiC),クロムカーバイド(Cr3C2),アルミナ(Al2O3)を主成分とするサーメット、アルミナ(Al2O3),サファイヤ(Al2O3),クロムカーバイド(Cr3C2),窒化珪素(Si3N4),窒化硼素(BN)を主成分とするセラミックス等の金型を使用しても同様の効果を得ることができた。 In addition, as an example of the mold material in the first and second embodiments, a cemented carbide mainly composed of tungsten carbide (WC), silicon carbide (SiC) is used, but an optical mirror surface is obtained, and an optical element material is obtained. For example, titanium nitride (TiN), titanium carbide (TiC), chromium carbide (Cr 3 C 2 ), alumina (Al 2 O 3 ) cermet, alumina (Al 2 O 3 ), sapphire (Al 2 O 3 ), chromium carbide (Cr 3 C 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), and die such as ceramics mainly composed of boron nitride (BN) Was able to achieve the same effect.
なお、実施の形態1,2において、軸心のズレや傾きを規制する形状として、所定の角度を持ったテーパ部または半円部の形状を用いたが、テーパ部と半円部の形状を組み合わせて構成してもよい。 In the first and second embodiments, the shape of the tapered portion or the semicircular portion having a predetermined angle is used as the shape that regulates the shift or inclination of the shaft center. You may comprise combining.
本発明に係る光学素子成形金型は、成形時の光学素子の上型,下型の軸心のズレや傾きをなくし、光学素子の肉厚も微調整でき、光学機器に使用される光学素子を成形するために有用である。 The optical element molding die according to the present invention eliminates the deviation and inclination of the upper and lower mold axes of the optical element at the time of molding, can finely adjust the thickness of the optical element, and is used for optical equipment It is useful for molding.
1 上型
1a,2a 成形面
1b,2b テーパ部
1e,2e 半円部
2 下型
2c,2d 溝
3 胴型
3a 貫通穴
4 光学素子素材
5 胴型ホルダー
6 フランジ部
7 加圧板
8 ヒータ
9 加圧手段
10 砥石
10a 軌跡
11 回転軸
12 砥石回転軸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Upper mold |
Claims (7)
前記上型および前記下型の光学素子成形面の外側に、規制形状部を設けたことを特徴とする光学素子成形金型。 In an optical element molding die for molding an optical element by pressing with an upper mold and a lower mold,
An optical element molding die, wherein a restriction shape portion is provided outside the optical element molding surfaces of the upper mold and the lower mold.
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