JP2007099575A - 光学素子のプレス成型方法及びプレス成型装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上型とプレスロッドは成型中には一体として動作するが、冷却の際には分離することができ、ガラスの収縮に伴う応力発生を抑制することで成型品のクラックを発生させずにガラスレンズ等の光学素子を得ることのできるプレス成型方法及びプレス成型装置を提供する。
【解決手段】（Ａ）上型２１と前記下型２２間に素材２０をセットした後に、（Ｂ）該金型を所定温度まで昇温させ、（Ｃ）前記素材２０をプレス成型する。つづいて、（Ｄ）金型内の成型品２５を冷却する冷却工程において、プレスロッドを微少量だけ上昇させることにより、前記上型２１と前記成型品２５が非接触状態で冷却される。冷却が進みある温度まで下がると、（Ｅ）プレスロッド２３と上型２１はすきまばめになり、分離される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガラスレンズ等の光学素子のプレス成型方法及びプレス成型装置に関する。

近年、短時間に、生産性よく、しかも原価の低い精密ガラスレンズ製造法として精密プレス成型方法がある。精密プレス成型方法のポイントは、金型に形成された光学面形状を精度よく被プレス物であるガラスに転写し、かつ、クラックのない成型品を得ることである。光学面の転写精度を確保するためには、ガラスに充分加圧した状態で成型を終了することが重要であるが、ガラスの冷却時において、加圧状態が保持されるとガラスの収縮に伴い応力が発生することからこれを抑えないとクラックの発生につながり問題となる（例えば特許文献１）。

一般にガラスの冷却時に発生するクラックについては、冷却時のプレス力や冷却速度の調整によって抑制されることが多い。しかし、レンズの形状や、ガラス材料と金型材料との組み合わせによっては、抑制しきれない場合があり、その場合には、ガラスの冷却時において、自然と又は強制的にガラスと金型が離れ、ガラスが自由に収縮できるようにして応力発生を抑制させることが必要となる。

これを実現するために、金型が上型、下型およびそれらの軸芯を合わせるための胴型を含む構造（例えば特許文献２）のものを用いた場合には、上型をプレスロッドに常時固定し、プレスロッドの動作と上型の動作が同期するようにする方法がある。しかし、プレス装置の構造として、プレスロッドと上型を常時固定すると、上型にガラスが固着した場合の保守作業が大掛かりになり、装置の稼働率を落とす欠点がある。

特開２０００−３２７３４６号公報 特許第２９４６００３号公報

本発明は、上型とプレスロッドは成型中には一体として動作するが、冷却の際には分離することができ、ガラスの収縮に伴う応力発生を抑制することで成型品のクラックを発生させずにガラスレンズ等の光学素子を得ることのできるプレス成型方法及びプレス成型装置の提供を目的とする。

請求項１の発明は、上型と下型を有する金型を用い、前記上型と前記下型間に素材をセットした後に、該金型を所定温度まで昇温させる加熱工程と、前記下型に対し前記上型を下降させて前記素材をプレス成型するプレス工程と、金型内の成型品を冷却する冷却工程とを有する光学素子のプレス成型方法において、前記冷却工程は、前記上型と前記成型品が非接触状態で行う冷却過程を含むことを特徴とする光学素子のプレス成型方法を提供する。

請求項２の発明は、プレスロッドと金型からなり、該金型は、前記プレスロッドにより上から押圧される上型と、該上型に対向して配置される下型と、前記上型及び前記下型が相対向して摺動可能に嵌め込まれる胴型とを有する光学素子のプレス成型装置であって、前記上型及び前記プレスロッドのうち一方に凸部を設け、他方に該凸部が嵌合する凹部を設けたことを特徴とする光学素子のプレス成型装置を提供する。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記凹部の室温における開口内径をｄ１、前記凸部の室温における外径をｄ２、前記凹部側部材の線膨張係数をα１、前記凸部側部材の線膨張係数をα２、室温から成型温度まで昇温したときの温度差をΔＴとしたとき、下記の数１及び数２を満たすことを特徴とする。
（数１） ｄ１−ｄ２＞０
（数２） （１＋α１・ΔＴ）・ｄ１−（１＋α２・ΔＴ）・ｄ２≦０

請求項４の発明は、請求項２又は３の発明において、前記上型に複数の凹部又は凸部を設け、これに対応してプレスロッドに複数の凸部又は凹部を設けたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、請求項３又は４のプレス成型装置を用い、前記加熱工程で前記凸部及び前記凹部を介して前記プレスロッドと前記上型を一体結合し、該一体結合中に前記冷却過程で前記プレスロッドを前記上型とともに上昇させて前記上型を前記成型品から分離させることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、プレス成型後に成型品と上型が分離した状態で冷却されるため、上型が成型品を拘束せず、成型品に対し物性値の相違、特に熱膨張率の相違による熱収縮量の差によって生じる熱応力及び上型と成型品との接触による機械的応力などが作用しなくなり、クラックその他表面性状の劣化が防止される。

請求項２の発明によれば、相互に嵌合する凸部と凹部からなる結合手段を用いてプレスロッドと上型とを連結することにより、プレスロッドと上型との熱膨張率の差に応じて、温度条件によって、凸部と凹部の嵌めあいをしまりばめ状態あるいはすきまばめ状態とすることができる。これにより、複雑な連結構造を用いることなく、プレス成型装置の温度に応じて上型をプレスロッドに一体結合させたり、分離させたりすることができる。

請求項３の発明によれば、室温においては、凸部と凹部の嵌めあいをすきまばめとして凸部を凹部に容易に差込み可能とし、昇温したときに、凸部と凹部の嵌めあいをしまりばめとしてプレスロッドと上型とを一体結合してプレスロッドの上下動作により上型を一体的に上下動作させることができる。

請求項４の発明によれば、複数の凹部及び凸部の組を有することにより、連結機能が確実に達成され信頼性が向上するとともに、プレス工程において安定してバランスよくプレス動作させることができる。

請求項５の発明によれば、加熱工程前の室温状態ですきまばめの凸部と凹部とを嵌合させ、加熱工程ですきまばめからしまりばめに変化させて、プレスロッドと上型を一体結合してプレス動作させ、プレス終了後の一体結合中にプレスロッドとともに上型を上昇させて上型を成型品から一旦分離することができる。これにより、冷却開始直後の冷却初期において上型を成型品から離して非接触状態で冷却することができる。

以上のように、本発明のプレス成型装置の金型は、高温の成型時のみにプレスロッドと上型が一体として動作する。これにより、上型の動きはプレスロッドの制御に同期することとなり成型品の厚みや転写の制御が容易になる。さらに成型後の冷却の際は適切な温度まで、一体として動作することから、プレスロッドを上昇させることで、ガラスと金型の強制的な離型が実現される。よって、ガラスが収縮する際に、ガラスは拘束を受けずに収縮することができ、応力発生が抑制されることから、成型品にクラックが発生しない。その後冷却が進み、冷却終期においては、上型がプレスロッドと分離して、その自重で再びガラスレンズの収縮を拘束し応力を発生させることとなるが、このときには温度が低下しておりクラック発生にまで至る応力とはならない。

上記の動作は、プレスロッドと上型の熱膨張率の差異によって実現する。したがって、その動作は材料物性値と成型温度の制御精度に依存することとなり、非常に高い繰返し安定動作が実現される。

本発明の型は、上型と下型及びそれらの軸芯を合わせるための胴型からなる。上型には１個ないしはそれ以上の凹部が形成されている特徴をもつ。成型機に取り付けられているプレスロッドはこの凹部に入れ子になって挿入されるような凸部をもった形状が存在しなくてはならない。上型の凹部とプレスロッドの凸部のクリアランスは、被成型体であるプリフォームのセッティングとレンズ取出しの際には、０より大きく（すきまばめ）、プレス成型時（高温）には０以下になり、締まりばめになるように、材料の熱膨張率とその形状と寸法が決められている。

本発明の型と成型方法について図を用いて説明する。
図１に金型とプレスロッドの例を示した。１０が上型であり、凹部１を設けている。１１は下型であり、１２は胴型である。プレスロッド１３は上型１０の凹部１に入れ子になるような凸部２を有している。ここで、前記上型１０の凹部１の室温における開口直径をｄ１、前記プレスロッド１３の先端に設けられた凸部２の室温における外径をｄ２とした場合、ｄ１−ｄ２＞０である。また、前記上型１０の線膨張係数をα１、前記プレスロッド１３の線膨張係数をα２、室温から成型温度までの温度差をΔＴとしたときに、（１＋α１・ΔＴ）・ｄ１−（１＋α２・ΔＴ）・ｄ２≦０を満たすような組み合わせでなくてはならない。

このような金型セットを、昇温前に被成型体であるプリフォーム（ガラス素材）２０を上型２１と下型２２の間に置いた状態で成型機に設置する（図２（Ａ））。この後、昇温を実施するが、まず昇温前あるいは昇温途中にプレスロッド２３の凸部２６を上型２１の凹部２４に挿入する（図２（Ｂ））。

成型温度近傍では上型凹部２４とプレスロッドの凸部２６は熱膨張率の差によって締まりばめとなる。このとき、プレス動作がなされ、プレスロッド２３の上下動作に上型２１は同期して胴型２７内で摺動し、成型を行う（図２（Ｃ））。

さらに所望のプレス量が確保され、成型品２５を冷却する工程に入り、（１＋α１・ΔＴ）・ｄ１−（１＋α２・ΔＴ）・ｄ２＞０となる前に、プレスロッド２３を微少量δだけ上昇させる（図２（Ｄ））。この操作により上型２１は成型品２５から強制的に離型されることとなる。プレスロッド２３はこの位置を保持し上型２１が成型品２５とは離れた状態で、さらに冷却を進め、この間、成型品２５は上型のプレスによる収縮の拘束、上型の自重による収縮の拘束を受けることなく、破壊に至るだけの応力を発生させずに収縮することができる。

さらに冷却が進みある温度まで下がると、（１＋α１・ΔＴ）・ｄ１−（１＋α２・ΔＴ）・ｄ２≧０となると、プレスロッド２３と上型２１はすきまばめになり、分離される（図２（Ｅ））。このとき、上型はガラスに再び接触し、これ以降のガラス収縮には金型の自重による拘束に基づく応力が発生する。しかし、既に温度が下がってきており、これ以降に発生する応力は破壊応力に到達することはなく、問題とならない。一方、上型側の転写安定性も、上型の輻射と下金型からの伝達によって制御されることで確保できる。

上型に形成される凹部の形状とプレスロッドの凸部形状については、低温ではすきまばめであり、高温では締まりばめになるようであれば、切り欠き形状（例えば円錐台）３４，３５にするなど、その形や数を問わない（図３ならびに図４）。ただし、成型品の対称性に則した形状であることが望ましい。例えば、レンズのような軸対称の成型品では、凹部、凸部とも軸対称的な形状であることが望ましい。また、上記のように上型とプレスロッドの材料物性ならびに寸法において低温ですきまばめ、かつ高温でしまりばめという関係が満たされれば、材料を問わないが、高温で実施されるガラス成型に対して、耐熱的、耐久的であることが望ましい。

図１のような金型セット形状で、上型の直径を１８ｍｍ、中心軸上の凹部は直径７ｍｍ、深さ５ｍｍのものを準備した。材料は超硬とした。これに相対するプレスロッドについては直径１７ｍｍとし、中心軸上の凸部の直径を６．９７ｍｍとした。材料はステンレスとした。上型と下型には各々直径１２ｍｍの非球面（レンズ成型面）１４，１５を形成した。

これらの金型内に、直径１４ｍｍ（鍔部を含む）、中心厚み３ｍｍの鍔付両凸レンズが作成できる体積の球形のシリカ系ガラス（ガラス素材２０）を予め常温にてセットし、まず型全体を３００°Ｃに加熱した。このとき、プレスロッドを下降させ、１０Ｎの加圧力が上型にかかるようにした。その後、型全体を６００°Ｃまで昇温させ、このとき、加圧力を２００Ｎまで増加させた。成型装置に具備されたプレスロッド位置センサー（図示しない）で上型の位置をモニターしながら、加圧力は２００Ｎを保持し、レンズ厚みが、ほぼ３ｍｍになる位置において、降温（徐冷冷却）を開始し、温度が５８０°Ｃになったと同時にプレスロッドを１ｍｍ上昇させた。この状態で引き続き降温させ、２００°Ｃで成型を完了した。

この操作を５０回繰り返したところ、クラックのない５０個の鍔付両レンズを得ることができた。レンズ面の転写精度のばらつきは０．２μｍ以下であり、実用上問題のない精度であることを確認した。

比較のため、図５のように凹部のない上型５１と、また凸部のないプレスロッド５３を準備し、上記と同じ成型操作を、５０回行ったところ、４５個のレンズにクラックの発生が認められた。

本発明は、高温の成型時のみにプレスロッドと上型が一体として動作することにより成型品の厚みや転写の制御が容易である利点を生かしたまま、冷却時のガラスの発生応力を低減できることから、歩留りの高いガラスレンズの製造方法を提供でき、デジタルカメラ用ガラスレンズなど各種光学用途に対して、原価を低減した精密ガラスレンズを提供できる。

本発明の型、ならびに成型装置では上型とプレスロッドが常温時には分離されていることから、上型にガラスが固着した場合のメンテナンスに優れ、生産性が低下しない。

本発明に係る成型装置の基本構成図。 （Ａ）〜（Ｅ）は、図１の成型装置の動作を順番に示す動作説明図。 本発明の別の実施例の構成説明図。 本発明のさらに別の実施例の構成説明図。 従来の成型装置の構成図。

符号の説明

１：凹部、２：凸部、１０：上型、１１：下型、１２：胴型、１３：プレスロッド、１４，１５：レンズ成型面、２０：プリフォーム（ガラス素材）、２１：上型、２２：下型、２３：プレスロッド、２４：凹部、２５：成型品、２６：凸部、２７：胴型、３１：上型、３３：プレスロッド、３４：凸部、３５：凹部、４１：上型、４３：プレスロッド、４４：凸部、４５：凹部、５１：上型、５３：プレスロッド。

Claims (5)

1. 上型と下型を有する金型を用い、前記上型と前記下型間に素材をセットした後に、該金型を所定温度まで昇温させる加熱工程と、前記下型に対し前記上型を下降させて前記素材をプレス成型するプレス工程と、金型内の成型品を冷却する冷却工程とを有する光学素子のプレス成型方法において、
   前記冷却工程は、前記上型と前記成型品が非接触状態で行う冷却過程を含むことを特徴とする光学素子のプレス成型方法。
2. プレスロッドと金型からなり、該金型は、前記プレスロッドにより上から押圧される上型と、該上型に対向して配置される下型と、前記上型及び前記下型が相対向して摺動可能に嵌め込まれる胴型とを有する光学素子のプレス成型装置であって、前記上型及び前記プレスロッドのうち一方に凸部を設け、他方に該凸部が嵌合する凹部を設けたことを特徴とする光学素子のプレス成型装置。
3. 前記凹部の室温における開口内径をｄ１、前記凸部の室温における外径をｄ２、前記凹部側部材の線膨張係数をα１、前記凸部側部材の線膨張係数をα２、室温から成型温度まで昇温したときの温度差をΔＴとしたとき、下記の数１及び数２を満たす請求項２に記載の光学素子のプレス成型装置。
   （数１） ｄ１−ｄ２＞０
   （数２） （１＋α１・ΔＴ）・ｄ１−（１＋α２・ΔＴ）・ｄ２≦０
4. 前記上型に複数の凹部又は凸部を設け、これに対応してプレスロッドに複数の凸部又は凹部を設けた請求項２又は３に記載の光学素子のプレス成型装置。
5. 前記加熱工程で前記凸部及び前記凹部を介して前記プレスロッドと前記上型を一体結合し、該一体結合中に前記冷却過程で前記プレスロッドを前記上型とともに上昇させて前記上型を前記成型品から分離させる請求項３又は４に記載のプレス成型装置を用いた請求項１に記載の光学素子のプレス成型方法。
   

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