JP2007290903A

JP2007290903A - 光学素子の成形装置および成形方法

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Inventors: Nobuhiro Yamamichi; 伸浩山道
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Abstract

【課題】バキューム装置等の複雑な装置を必要とせずに、ガスの封じ込めを防止することのできる成形装置および成形方法を提供する。
【解決手段】加熱軟化させたガラス等の素材２を第１成形型３の円弧面状の凸部３ａと第２成形型４の円弧面状の凹部４ａとの間に挟んでプレス成形して素材の片面２ａに凹面２ｃを形成し、素材の反対側２ｂの面に凸面２ｃを形成するレンズ等の光学素子の成形方法である。加熱軟化させた素材を第１成形型の凸部と第２成形型の凹部との間で挟んでプレス成形する前に、前記凹部４ａに対して非接触状態の下で素材の片面２ｃに前記凸部３ａを押し付けて素材の片面２ａを凹ませ、反対側の面２ｂを円弧面状に突出させた後に、該突出部の頂部２ｆを前記凹部４ａの中心部に載置して素材を凸部３ａと凹部４ａの間でプレスして素材の片面２ａに凸部３ａに倣う凹面を形成し、反対側の面２ｂに凹部に倣う円弧状面の凸面を形成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、メニスカスレンズ等の光学素子をガラスやプラスチック等の素材からプレス成形により形成する光学素子の成形装置および成形方法に関するものである。

メニスカスレンズとは、片面が凹面、反対面が凸面で構成されたレンズを言い、凸メニスカスレンズと凹メニスカスレンズに大別される。凸メニスカスレンズとは、光学有効面において、中心厚＞外周部厚となるレンズ、つまり凸面の曲率半径＜凹面の曲率半径となるレンズを言う。また、凹メニスカスレンズとは、光学有効面において、中心厚＜外周部厚となるレンズ、つまり凸面の曲率半径＞凹面の曲率半径となるレンズを言う。メニスカスレンズは、カード型デジタルカメラ等においてプリズムをしようした所謂光軸折曲系の光学系鏡筒のレンズ等に使用されている。特に、非球面の凹メニスカスレンズは、光学系鏡筒の構成を簡素化できることから需要の高い、重要なレンズとして注目されている。

メニスカスレンズの成形（製造）は、研削、研磨による方法と、ガラスやプラスチックの素材をプレスモールドによって形成する方法がある。メニスカスレンズの非球面化が進むに従って、プレス成形による製造方法が注目されてきている。プレスモールドによるメニスカスレンズの製造方法は、プリフォーム材と称される予め粒状（ボール状）に形成された素材を加熱してプレス加工を施すことによりメニスカスレンズに変形させる方法と、予め板状に形成された素材を加熱してプレス加工を施すことによりメニスカスレンズに変形させる方法と、が知られている。（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

ところで、粒状（ボール状）のプリフォーム材を使用する方法は、粒状のプリフォーム材からメニスカスレンズに至るまでの変形量が多いことから、何段階にも亘って粒状のプリフォーム材を変形させなければならず、プレスに時間が掛かってしまうという問題点がある。

また、板状のプリフォーム材を使用する方法は、板状のプリフォーム材を湾曲させて形成するので、粒状のプリフォーム材を使用する場合に較べてメニスカスレンズに至るまでの変形量が少なく、プレス時間を短縮することができるという利点がある反面、図１３に示すように、板状のプリフォーム材１０１を下型１０２の上端の円弧面状の凹部１０３に載置した場合に、板状のプリフォーム材１０１の下端周縁部１０１ａが前記円弧面状の凹部１０３に接触して前記板状のプリフォーム材１０１の下面側に空間１０４が発生し、該空間１０４内に成形室内に充填している窒素等のガスが封じ込められる。この状態で図１４に示すように、上型１０５を下降させて該上型１０５の下端の凸部１０６で前記板状のプリフォーム材１０１を変形させると、図１５に示すように、製品としてのメニスカスレンズ１１１の下面側に前記封じ込められたガスにより凹み１１２が発生し、製品価値を損なうという問題点がある。

前記ガスの封じ込めという問題点を解決するために、真空下において前記板状のプリフォーム材のプレスを行うようにした成形装置あるいは図１６に示すように、前記封じ込められたガス１２１をベント孔（排ガス孔）１２２から外部に排出するようにした成形装置も開発されている。（例えば、特許文献４参照）。
特開平６−９２２８号公報特開平９−２９５８１７号公報特開２００２−２４９３２７号公報特開平３−１３１５３７号公報

ところで、前記真空下において前記板状のプリフォーム材のプレスを行う装置は、バキューム装置等を必要とし、装置が複雑化してコストも高くなるという問題点があった。また、封じ込められたガスをベント孔から外部に排出するようにした成形装置は、図１７に示すように、ベント孔１２２にガラス等の光学材料が入り込んでレンズ等の光学素子１２３に突起１２４が形成されてしまうという問題点があった。

前記突起１２４は、レンズ等の光学素子１２３の光学的特性を大きく低下させることがないにしても、突起１２４が無いに超したことはない。このため、この種の光学素子の成形装置や成形方法においては、前記突起を作らずに、より簡単な方法で、より確実にガスの封じ込めを防止するかが重要な課題とされていた。

本発明の目的は、バキューム装置等の複雑な装置を必要とせず、あるいは窒素等の不活性ガス等の気体中で成形する場合においても、気体の封じ込めを防止し、気体の封じ込めが原因で起こる不良品の発生を可及的に抑制することのできる成形装置および成形方法を提供することにある。

本発明の光学素子の成形装置は、加熱、軟化させた光学素子素材の第１主面側を円弧面状に凹ませるとともに該第１主面の裏側に位置する第２主面側を円弧面状に突出させる円弧面状の成形用凸部を備えた第１成形型と、前記第１の成形型の成形用凸部との間で前記光学素子素材を挟んで前記光学素子素材の第２主面側を成形する円弧面状の成形用凹部を備えた第２成形型と、前記第１成形型と第２成形型を互いに接近、離間する方向に移動させる成形型駆動機構と、を備えてなる光学素子の成形装置において、
前記第１成形型と第２成形型との間に前記第２成形型に対して非接触状態で前記第１成形型により加圧変形可能に前記光学素子素材の周縁部を保持する光学素子素材保持機構を設けた。

本発明の光学素子の成形方法は、加熱、軟化させた光学素子素材を第１成形型の円弧面状の成形用凸部と第２成形型の円弧面状の成形用凹部との間に挟んで圧縮することにより前記光学素子素材の第１主面に凹面を形成し、前記光学素子素材の第１主面の裏側の第２主面に凸面を形成する光学素子の成形方法において、
前記加熱、軟化させた光学素子素材を前記第１成形型の円弧面状の成形用凸部と第２成形型の円弧面状の成形用凹部との間で挟んで圧縮する前に、前記光学素子素材を前記第２成形型の円弧面状の成形用凹部に対して非接触状態の下で前記光学素子素材の第１主面に前記第１成形型の円弧面状の成形用凸部を押し付けて前記光学素子素材の第１の主面を凹ませるとともに該第１主面の裏側に位置する第２主面側を円弧面状に突出させ、該突出させた前記光学素子素材の第２主面側の頂部を前記第２成形型の円弧面状の成形用凹部の中心部に載置して前記光学素子素材を前記第１成形型の成形用凸部と第２の成形型の成形用凹部の間で圧縮して前記光学素子素材の第１主面に前記第１成形型の成形用凸部の円弧状面に倣う凹面を形成し、前記光学素子素材の第２主面に前記前記第２成形型の成形用凹部の円弧状面に倣う凸面を形成した。

本発明の光学素子の成形装置は、前記光学素子素材保持機構によって保持されている光学素子素材の第１主面に前記該第１の成形型の成形用凸部を押し当てて前記光学素子素材の第１主面側を円弧面状に凹ませるとともに該第１主面の裏側に位置する第２主面側を円弧面状に突出させることができる。そして、前記円弧状に突出させた部分の頂部を前記第２成形型の円弧面状の成形用凹部の中心部に載置して、前記頂部から徐々に外周側に向かって前記成形用凹部を光学素子素材の第２主面に接触させて行くことにより、前記光学素子素材の第２主面側の中央部に窒素等の気体が封じ込められるのを防止する。

本発明の光学素子の成形方法は、光学素子素材を第２成形型の円弧面状の成形用凹部に対して非接触状態の下で前記光学素子素材の第１主面に前記第１成形型の円弧面状の成形用凸部を押し付けて前記光学素子素材の第１の主面を凹ませるとともに該第１主面の裏側に位置する第２主面側を円弧面状に突出させた後に、該突出させた前記光学素子素材の第２主面側の頂部を前記第２成形型の円弧面状の成形用凹部の中心部に載置して前記光学素子素材を前記第１成形型の成形用凸部と第２の成形型の成形用凹部の間で圧縮するので、前記光学素子素材２の第２主面２ｂは、前記頂部２ｆを中心にして、その外周側が順次、前記第２成形型４の円弧面状の成形用凹部４ａに押し付けられて、前記光学素子素材２の第２主面２ｂ側のガスを外周側に排出して行き、前記光学素子素材２の第２主面２ｂの下面側にガスが封じ込められるのを防止する。

以下、本発明の光学素子の成形装置および成形方法について説明する。図１〜図５は光学素子の成形装置（以下、単に成形装置と称する）１による光学素子の成形工程を示す略示的断面図である。成形装置１は、図示を省略した加熱手段により加熱、軟化させた光学素子素材２の片面２ａ（以下、第１主面と称する）側を円弧面状に凹ませるとともに、該第１主面２ａの裏側に位置する反対面２ｂ（以下、第２主面と称する）側を円弧面状に突出させる円弧面状の成形用凸部３ａを備えた第１成形型３と、前記第１の成形型３の成形用凸部３ａとの間で前記光学素子素材２を挟んでプレスして圧縮することにより該光学素子素材２の第２主面２ａ側を円弧面状に成形する円弧面状の成形用凹部４ａを備えた第２成形型４と、前記第１成形型３と第２成形型４を互いに接近、離間する方向に移動させる成形型駆動機構５と、を備えている。前記成形装置１は、窒素のような不活性ガス等の気体の下で成形を行う。

前記第１成形型３と第２成形型４との間には、前記第２成形型４に対して前記光学素子素材２を非接触状態に保ちながら前記第１成形型３により加圧変形可能に前記光学素子素材２の周縁部を保持する光学素子素材保持機構６が配置されている。

前記光学素子素材２は、ガラス転移点温度５５０℃、屈服点５８８℃の光学ガラスにより円形の平板状に作られている。

前記第１成形型３は、前記光学素子素材２の第１主面２ａ側に所定の曲率半径の凹面２ｃ（図７参照）を成形するものであり、下端部に前記円弧面状の成形用凸部３ａを備えている。

前記第２成形型４は、前記光学素子素材２の第２主面２ｂ側に所定の曲率半径の凸面２ｄ（図７参照）を成形するものであり、上端部に前記円弧面状の成形用凹部４ａを備えている。

前記成形用凸部３ａの曲率半径は、前記円弧面状の成形用凹部４ａの曲率半径よりも小径に形成されている。

前記成形型駆動機構５は、前記第１成形型３を前記第２成形型４に対して昇降させる第１駆動部５ａと、前記第２成形型４を前記第１成形型３に対して昇降させる第２駆動部５ｂと、を備えている。

前記光学素子素材保持機構６は、前記光学素子素材２の周縁部のレンズ有効面よりも外側を支持する複数の光学素子素材支持枠７と、これら複数の光学素子素材支持枠７を図１〜図３に示す光学素子素材支持位置と、図４、図５に示す光学素子素材支持解除位置と、の間で移動させる枠駆動機構８と、を備えている。

図６に示すように、前記複数の光学素子素材支持枠７は、円形のリングを２分割した半円弧状に形成されている。そして、これら光学素子素材支持枠７を前記枠駆動機構８で、図１〜図３に示す光学素子素材支持位置に移動させると、前記複数の光学素子素材支持枠７は、略リング状になって、内周部に設けた光学素子素材受け部９内に前記光学素子素材２の外径側の下端部２ｅを嵌合して支持する。

次に、前記光学素子の成形装置１を使用しての光学素子の成形方法の一例を図８のフローチャート図を参照して説明する。

ステップ１の保持、加熱工程においては、図１に示すように、前記第１成形型３と第２成形型４の間に配置した光学素子素材保持機構６で前記光学素子素材２を保持して、図示を省略した加熱手段によって、前記光学素子素材２を加熱して軟化させる。前記光学素子素材２の粘度がＬｏｇη＝９〜１０になる設定された温度に達したら、この状態を一定時間、例えば６０秒保ち、前記光学素子素材２の内部の温度が一定になるまで保持する。

ステップ２のプリ（前）加圧、変形工程においては、図２に示すように、前記第１成形型３を第１駆動部５ａで下降させて、前記成形用凸部３ａを前記光学素子素材２の第１の主面２ａに押し当て、ゆっくりと下降させて、前記光学素子素材２の第１の主面２ａを凹ませるとともに第２主面２ｂ側を円弧面状に突出させる。該突出部の曲率半径は、前記第１成形型３の成形用凸部３ａの曲率半径と略同じになり、前記第２成形型４の成形用凹部４ａの円弧状面状の曲率半径よりも小径になる。

ステップ３の型載せ工程においては、図３に示すように、前記第２成形型４を第１駆動部５ｂで上昇させて、前記第２成形型の円弧面状の成形用凹部４ａの中心部に、前記光学素子素材２の第２主面２ｂ側の突出部の頂部２ｆを接触させる。

ステップ４の保持解除工程においては、図４に示すように、前記光学素子素材支持枠７を枠駆動機構８により光学素子素材支持解除位置に移動させて、前記光学素子素材支持枠７による前記光学素子素材２の拘束を解く。

ステップ５の圧縮工程においては、図５に示すように、前記第２成形型４を第２駆動部５ｂで上昇させて、前記第１成形型３の成形用凸部３ａと第２成形型４の成形用凹部４ａの間で圧縮する。この圧縮によって、前記光学素子素材２の第２主面２ｂは、前記頂部２ｆを中心にして、その外周側が順次、前記第２成形型４の円弧面状の成形用凹部４ａに押し付けられて行くとともに、前記光学素子素材２の第１主面２ａ側は前記第１成形型３の成形用凸部３ａに押し付けられる。そして、前記光学素子素材２の第１主面２ａは、前記第１成形型３の成形用凸部３ａの円弧状面に倣って変形され、前記光学素子素材２の第２主面２ｂは、前記第２成形型４の成形用凹部４ａの円弧状面に倣って変形される。

ステップ５の冷却、取出工程においては、前記第１成形型３の成形用凸部３ａと第２成形型４の成形用凹部４ａの間で圧縮、変形された光学素子素材２を図示省略の冷却機構により所定の温度、例えば２００℃に冷却した後に前記第１成形型３と第２成形型４成形型を開いて製品を取り出す。前記板状の光学素子素材２は、図７に示すように、第１の主面２ａ側の凹面２ｃの曲率半径が、第２主面２ｂ側の凸面２ｄの曲率半径よりも小径の凹メニスカスレンズとして取り出される。

凹メニスカスレンズを形成する場合には、前記第１成形型３の円弧状面状の成形用凸部３ａの曲率半径よりも前記第２成形型４の成形用凹部４ａの円弧状面状の曲率半径を大きくするので、図２に示すように、前記第１成形型３の成形用凸部３ａを前記光学素子素材２の第１の主面２ａに押し当てて下降させて、前記光学素子素材２の第１の主面２ａを凹ませ、かつ第２主面２ｂ側を円弧面状に突出させた場合に、該突出部の曲率半径は、前記第１成形型３の成形用凸部３ａの曲率半径と略同じになり、前記第２成形型４の成形用凹部４ａの円弧状面状の曲率半径よりも小径になる。従って、図３に示すように、前記光学素子素材２の第２の主面２ｂ側の突出部の頂部２ｆが前記第２成形型４の成形用凹部４ａに接触するので、前記光学素子素材２の下面の中央部にガス収納空間ができるのを防止する。そして、前記第２成形型４を第２駆動部５ｂで上昇させれば、上述したように、前記光学素子素材２の第２主面２ａは、前記突出部の頂部２ｆを中心にして該頂部２ｆの周囲のガスを排除しながら頂部２ｆの外周側が順次、前記第２成形型４の円弧面状の成形用凹部４ａに押し付けられて行き、最終的に前記第２主面２ａ側のガスを完全に外部に排出させて、ガスが封じ込められるのを確実に防止する。

上記凹メニスカスレンズを形成する場合に対して、凸メニスカスレンズを形成する場合には、図９に示すように、前記第１成形型３の円弧状面状の成形用凸部３ａの曲率半径よりも前記第２成形型４の成形用凹部４ａの円弧状面状の曲率半径を小さくするので、図１０に示すように、前記第１成形型３の成形用凸部３ａを前記光学素子素材２の第１の主面２ａに押し当てて下降させて、前記光学素子素材２の第１の主面２ａを凹ませ、かつ第２主面２ｂ側を円弧面状に突出させた場合に、該突出部の曲率半径は、前記第１成形型３の成形用凸部３ａの曲率半径と略同じになり、前記第２成形型４の成形用凹部４ａの円弧状面状の曲率半径よりも大径になる。従って、図１１に示すように、前記光学素子素材２の第２の主面２ｂ側の突出部の周縁部２ｇが前記第２成形型４の成形用凹部４ａに接触し、前記光学素子素材２の下面側にガスが封じ込められるが、前記光学素子素材２の第２主面２ｂ側の突出部は円弧面状に形成されていて、前記接触部よりも内側が第２成形型４の成形用凹部４ａ内に侵入するので、図１２に示す平板状の光学素子素材１０１に較べて、前記成形用凹部４ａ内のガス溜まり空間の体積を小さくして、ガスが封じ込められた際の弊害を最小限に抑えることができる。

なお、上記実施の形態においては、前記光学素子素材２にガラスを用いた場合を示したが光学素子素材２は光学用のプラスチック、例えば日本ゼオン社製のゼオネックス（商標名）やアクリル系樹脂等であってもよい。また、前記光学素子素材保持機構６を前記光学素子素材２の周縁部のレンズ有効面よりも外側を支持する複数の円弧状の光学素子素材支持枠７で形成した場合を示したが、前記光学素子素材保持機構６は、圧縮ガス等を前記光学素子素材２に当てて、所謂光学素子素材２を浮上させた状態で保持する構成のものであってもよい。また、上記実施の形態において、円弧状面とは、球面は勿論のこと、非球面も含む。実施の形態においては、前記光学素子の凹面と凸面のを球面に形成した場合を示したが、前記光学素子の凹面と凸面の双方を非球面に形成しても、あるいは何れか一方を球面に形成し、他方を非球面に形成してもよい。

光学素子の成形工程を示す略示的断面図。光学素子の成形工程を示す略示的断面図。光学素子の成形工程を示す略示的断面図。光学素子の成形工程を示す略示的断面図。光学素子の成形工程を示す略示的断面図。光学素子素材保持機構の斜視図。成形された光学素子の斜視図。光学素子の成形工程を示すフローチャート図。他の実施の形態の光学素子の成形工程を示す略示的断面図。他の実施の形態の光学素子の成形工程を示す略示的断面図。他の実施の形態の光学素子の成形工程を示す略示的断面図。本発明との比較例を示す断面図。従来例の光学素子の成形工程を示す略示的断面図。従来例の光学素子の成形工程を示す略示的断面図。従来例の成形方法で作られた光学素子の問題点を示す断面図。他の従来例の断面図。他の従来例の問題点を示す断面図。

符号の説明

１…成形装置、２…光学素子素材、２ａ…第１の主面、２ｂ…第２の主面、２ｃ…凹面、２ｄ…凸面、３…第１成形型、３ａ…成形用凸部、４…第２成形型、４ａ…成形用凹部、５…成形型駆動機構、６…光学素子素材保持機構、７…光学素子素材支持枠、８…枠駆動機構。

Claims

加熱、軟化させた光学素子素材の第１主面側を円弧面状に凹ませるとともに該第１主面の裏側に位置する第２主面側を円弧面状に突出させる円弧面状の成形用凸部を備えた第１成形型と、前記第１の成形型の成形用凸部との間で前記光学素子素材を挟んで前記光学素子素材の第２主面側を成形する円弧面状の成形用凹部を備えた第２成形型と、前記第１成形型と第２成形型を接近、離間する方向に移動させる成形型駆動機構と、を備えてなる光学素子の成形装置において、
前記第１成形型と第２成形型との間に前記第２成形型に対して非接触状態で前記第１成形型により加圧変形可能に前記光学素子素材の周縁部を保持する光学素子素材保持機構を設けたことを特徴とする光学素子の成形装置。
前記光学素子素材保持機構は、前記光学素子素材のレンズ有効面よりも外側を支持する複数の光学素子素材支持枠と、これら複数の光学素子素材支持枠を光学素子素材支持位置と光学素子素材支持解除位置との間で移動させる枠駆動機構と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形装置。
前記第１成形型の円弧面状の成形用凸部の曲率半径は、前記第２成形型の円弧面状の成形用凹部の曲率半径よりも小径に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形装置。
加熱、軟化させた光学素子素材を第１成形型の円弧面状の成形用凸部と第２成形型の円弧面状の成形用凹部との間に挟んで圧縮して前記光学素子素材の第１主面に凹面を形成し、前記光学素子素材の第１主面の裏側の第２主面に凸面を形成する光学素子の成形方法において、
前記加熱、軟化させた光学素子素材を前記第１成形型の円弧面状の成形用凸部と第２成形型の円弧面状の成形用凹部との間で挟んで圧縮する前に、前記光学素子素材を前記第２成形型の円弧面状の成形用凹部に対して非接触状態の下で前記光学素子素材の第１主面に前記第１成形型の円弧面状の成形用凸部を押し付けて前記光学素子素材の第１の主面を凹ませるとともに該第１主面の裏側に位置する第２主面側を円弧面状に突出させ、該突出させた前記光学素子素材の第２主面側の頂部を前記第２成形型の円弧面状の成形用凹部の中心部に載置して前記光学素子素材を前記第１成形型の成形用凸部と第２の成形型の成形用凹部の間で圧縮して前記光学素子素材の第１主面に前記第１成形型の成形用凸部の円弧状面に倣う凹面を形成し、前記光学素子素材の第２主面に前記前記第２成形型の成形用凹部の円弧状面に倣う凸面を形成することを特徴とする光学素子の成形方法。
前記第１成形型の円弧面状の成形用凸部により加圧、変形された前記光学素子素材の第１主面の凹面の曲率半径は、前記光学素子素材の第２主面の凸面の曲率半径よりも小径に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の光学素子の成形方法。
前記第２主面側の頂部を前記第２成形型の円弧面状の成形用凹部の中心部に載置された光学素子素材は、前記第１成形型の成形用凸部によって前記第２主面側の頂部を中心にして外周側が順次、前記第２成形型の円弧面状の成形用凹部に押し付けられて行くことを特徴とする請求項４に記載の光学素子の成形方法。
前記光学素子素材は、平板状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の光学素子の成形方法。
前記光学素子素材は、光学素子素材保持機構によって保持された状態で加熱、軟化されるとともに、前記第２成形型の円弧面状の成形用凹部に対して非接触状態の下で前記光学素子素材の第１主面に前記第１成形型の円弧面状の成形用凸部が押し付けられることを特徴とする請求項４に記載の光学素子の成形方法。
前記光学素子素材は、ガラスであることを特徴とする請求項４に記載の光学素子の成形方法。
前記光学素子素材は、プラスチックであることを特徴とする請求項４に記載の光学素子の成形方法。