JP2006335613A - 非軸対称形状素子の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 非軸対称形状の素子をプレス成形する場合において、成形方向（プレス軸の駆動方向）に対し垂直成分の荷重が発生して型に傷を付けたり、型が摺動しなくなることがあった。
【解決手段】 成形面の平均法線方向を算出し、プレス方向と一致させることによって、偏芯や型のカジリを防止すると共に、計算によって一意に成形方向を決定することが可能になった。
【選択図】 図６

Description

本発明は成形用素材を成形型内に収容して加熱下でプレス成形することにより所望の形状の素子を製造する方法に関するものである。本明細書では特にガラスモールド法について言及しているが、同様のプロセスのコンプレッション成形であればガラスに限ったものではない。

近年、光学レンズの生産性向上の要求に対し、研磨加工なしのプレス成形により光学レンズを形成するガラスモールド法の果たす役割が大変重要になってきている。

コンピュータによる素子設計の自由度が増したこととコンピュータ制御による型加工技術の向上によって、非軸対称形状（自由曲面形状）を精密に加工することが出来るようになった。それらの技術向上に伴い、当然ながら非軸対称形状を精密にプレス成形する技術を確立する必要性も出てきた。これらは光学素子に限らず、安価に精密な形状をプレス成形によって得る素子であればどのようなものでも（たとえば金属素子）、多く要求されるようになってきた。

従来、光学素子は、球面、非球面のいずれも軸対称形状が大多数を占めていたので、成形方向（プレス軸の駆動方向）は光軸と一致していた。（図７参照）しかしながら、非軸対称形状の素子において、プレス方向の決め方は特に存在しなかったので、設計者が感覚的に決めていることが多かった。

又、従来例としては、例えば特許文献１をあげることが出来る。
特開２００１−１６６１０８号公報

しかしながら、プレス方向を人間が感覚的に決めてしまうと、その方向は人によらず一意的に決まることはない。つまり、同じ形状であってもプレス方向を決定する者が変わればその方向は変わってしまう。人間が感覚的に決定する場合は、自動的に計算で決定する場合とは違い、瞬間的に決めることが出来ないので、余分な時間がかかってしまうという問題があった。

また、従来のような軸対象形状の成形品であれば、素材の充填が均一であれば、プレス方向に対して垂直成分に荷重がかかることはなく、軸が壁に大きな圧力を加えて傷をつけることはまれであったが、非軸対称形状の素子をプレスする場合、プレス面の平均法線方向にプレスしなければ、プレス方向に対して垂直成分の荷重が発生し、型の摺動面に無理な力が加わり、傷をつけてしまうことがあった。そして、まれに型のカジリが生じ、型が動かなくなってしまうことも多くあり問題となっていた。

上記の問題点を解決するために最適な成形方向を迅速に決定する手法を開発する必要性が生じていた。

プレス型の成形面形状の法線方向を平均した平均法線方向が、成形型の摺動方向（プレス軸の駆動方向）と一致するように決定する。成形面の法線方向の平均値を理論計算で求めることが難しい場合には、面の上の代表点をいくつか採用し、その平均値を用いることによって、簡易的（解析的）に決定することも出来る。

また、平均法線方向とプレス軸の駆動方向を完全に一致させることが困難である場合には、選択できる範囲で平均法線方向とプレス軸の駆動方向が最も近くなる方向に決定する。

以上のようにすることによって、上記の問題点を最小に抑えることが出来るようになる。

上記のように構成された本発明の成形方向の決定方法を用いれば、人間の感覚に頼らずに、どのような場合でも迅速に最適な成形方向を算出することが可能となる。それによって、成形面の設計が完了すれば、ほぼ同時に成形方向も自動的に決定できるので、型の自動設計も行うことができるようになる。

またプレス方向に対して垂直な成分の荷重が極力発生しないため、型の摺動部分を傷つけることを出来る限り抑えることが出来るので、型の寿命を延ばすことができ、さらに量産時に型がかじることによって、装置が停止することがなくなり、歩留まりがよくなる。

次に、本発明の実施の形態を説明する。図１に示す自由曲面光学素子を成形する場合、１面を上型で成形し、２面を下型で成形する。本来は面の形状の数式から理論解（数値解）によって上下面それぞれの平均的な法線方向を算出するのが理想的である。しかし、今回の素子は複数の数式をつなぎ合わせて上下それぞれの面を構成しているので、数式から算出するのは手間がかかると判断し、計算を単純化する方法を用いた。図１の光学素子を上面から見た図を図２に示し、下面から見た図を図３に示す。

まずそれぞれの面を図４、図５に示すように上下面をそれぞれメッシュ分割した。本実施例では、それぞれ１０×３０の交点を持つように分割した。そして、図６に示すようにメッシュの交点における面の法線ベクトルを算出し、ベクトル成分の平均を計算することにより簡易的な面全体の法線を求めた。

この作業を上下面とも行い、上下面それぞれの平均的な法線方向を算出した。以後このように算出した法線方向を面の平均法線方向と呼ぶことにする。

軟化したガラスをプレスする際に、面全体に均一に圧力が加わる場合、プレス方向とこの面の平均法線方向とズレがある場合、プレス軸はプレス方向と平均法線方向とのズレ分だけ斜めに反力を受ける。よって、プレス軸の可動方向と、この平均法線の方向が一致していると、プレス時にせん断方向の荷重がかかりにくくなる。

よって、プレス軸の駆動方向と平均法線方向を一致させる、もしくは近づけることによって軸の偏芯を抑えることができ、また型が摺動部分でかじって内面に傷をつけたり、動かなくなってしまったりすることを防ぐことが出来る。以上の成形を行う装置の構成図を図８に示す。

ここで、図１０に自由曲面の平均法線方向５０とプレス軸の可動方向５２との関係を示す。平均法線方向とプレス軸の可動方向の差５１によって、プレス軸の可動方向と垂直に５２の力がかかる。このときの力が１０００Ｎ以下であれば良好な結果が得られた。よって、５１の角度をθ、プレス圧力をＰ［Ｎ］とした場合、θが０となる場合が理想であるが、Ｐ・ｔａｎθが１０００Ｎ以下となっていると量産する場合には問題なく成形することができる。

片側だけのプレスの場合は、摺動する方向とプレス面の平均法線方向を合わせるようにすればいいのだが、図８のように上下２方向からプレスするような場合、成形する素子において、それぞれの成形面の平均法線方向が一致していれば良いのだが、図９のように必ずしも両方の面の平均法線方向（６，７）が一致しているとは限らない。

しかし、それぞれの面の平均法線方向にプレス軸を変化させれば、装置を成形する素子ごとに改造しなければならなくなる。よって、相対する方向のプレスによる成形を行う場合は、両面の平均法線方向（６，７）の平均方向（８）を算出し、それをプレス方向と一致するように変更することによって、プレス方向に対して垂直な成分の荷重を出来る限り抑えることが出来る。

また、側面型等との関係から完全に２面の平均法線方向の平均方向（８）とプレス方向を一致させることが出来ない場合でも、両者の方向を極力近づけることによっても効果は得られる。

自由曲面で構成された光学素子の斜視図である。 図１の光学素子を上面から見た図である。 図１の光学素子を下面から見た図である。 図１の光学素子の上面をメッシュ分割した図である。 図１の光学素子の下面をメッシュ分割した図である。 光学素子上の点上の法線方向を示した図である。 従来の軸対称光学素子の断面図である。 自由曲面光学素子の成形装置の構成図である。 自由曲面光学素子を側面から見た図である。 自由曲面の平均法線方向とプレス軸の可動方向との関係を示す図である。

符号の説明

１ 自由曲面光学素子のプレス面
２ 自由曲面光学素子のプレス面
３ プレス軸駆動方向
４ 軸対称光学素子の上面平均法線方向
５ 軸対称光学素子の下面平均法線方向
６ 自由曲面光学素子の上面平均法線方向
７ 自由曲面光学素子の下面平均法線方向
８ 上下面の平均法線方向の平均方向
１０ 成形装置本体
１２ 成形用型
１４ 胴型
１６ 上型部材
１８ 下型部材
２０ 支持基板
２２，２４ エアシリンダ
２６ ヒータ
４０ ガラス素材
５０ 自由曲面光学素子の上面平均法線方向
５１ 上面平均法線方向と型（軸）駆動方向との角度差
５２ 上型（軸）の駆動方向
５３ 型（軸）駆動方向と垂直に働く力
５４ 上型

Claims (3)

1. 成形用素材を成形型内に収容して加熱下でプレス成形することにより所望の形状の素子を製造する方法において、成形面が非軸対称形状の素子を成形する場合において、成形面の平均法線方向と成形型の駆動方向の角度差をθ、プレス軸に加える力をＰとした場合、Ｐ・ｔａｎθが、１０００Ｎ以下になることを特徴とする非軸対称形状素子の成形方法。
2. 成形用素材を成形型内に収容して加熱下でプレス成形することにより所望の形状の素子を製造する方法において、相対する２個の駆動する成形型を用いて非軸対称形状の素子を成形する場合において、前記相対するそれぞれの成形面の平均法線方向を算出し、その２つの平均法線方向を平均した方向と成形型の駆動方向の角度差θはプレス軸に加える力がＰの場合、Ｐ・ｔａｎθが１０００Ｎ以下になることを特徴とする前記請求項１記載の非軸対称形状素子の成形方法。
3. 前記請求項１あるいは請求項２に記載の平均法線方向を決定する際に、特定の複数点の法線方向の平均値を使うことを特徴とする非軸対称形状素子の成形方法。

Images