JP2008150225A - ガラス光学素子成形用のプレス金型、その製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に精密加工することができ、離型膜が不要で、製造コストを低減することができるガラス光学素子成形用のプレス金型、その製造方法および製造装置を提供する。
【解決手段】切削部１８が、単結晶のダイヤモンド製のバイト２２を有している。制御部が、ガラス状カーボンから成る金型母材２に対し、バイト２２で延性モード切削により鏡面加工して成形面３を形成するよう、切削部１８を制御可能になっている。また、制御部は、延性モード切削で、ナノメートルオーダーの加工精度を維持するよう切削部１８を制御可能になっている。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガラス光学素子成形用のプレス金型、その製造方法および製造装置に関する。

デジタルカメラやＣＤ、ＤＶＤのピックアップ光学系などに用いられるガラス製の非球面レンズは、高温プレス成形により量産されるようになりつつある。従来、ガラス製の非球面レンズの成形は通常高い温度で行われるため、金型の母材として耐熱性を有する超硬合金などの材料が使用されている。また、ガラスが金型に融着するのを防ぎ、金型を保護するために、金型の成形面には特殊な離型膜が形成されている（例えば、特許文献１、２または３参照）。

特公昭６２−２８０９１号公報 特開平６−３０５７４２号公報 特開２００２−８０２２７号公報

特許文献１乃至３に記載のような従来のガラス製の非球面レンズ成形用の金型は、母材が超硬合金製であるため、精密加工が困難であるという課題があった。また、精密加工に加えて、研削や研磨の工程が必要であり、特殊な離型膜も必要不可欠であるため、製造コストが嵩むという課題があった。離型膜が壊れやすく、離型膜の剥離により金型の寿命が短くなるという課題もあった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、容易に精密加工することができ、離型膜が不要で、製造コストを低減することができるガラス光学素子成形用のプレス金型、その製造方法および製造装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係るガラス光学素子成形用のプレス金型は、金型母材がガラス状カーボンから成ることを、特徴とする。

ガラス状カーボンは、超硬合金に比べて、耐熱性に優れ、化学的に安定で耐腐食性にも優れ、溶融ガラスに対する濡れ性が低く、熱膨張係数が小さい、という極めて優れた性能を有している。本発明に係るガラス光学素子成形用のプレス金型では、金型母材がガラス状カーボンから成るため、金型を保護するための離型膜が不要である。また、ガラス状カーボンは、超硬合金に比べて低硬度であるため、切削加工に適し、切削加工だけでも容易に精密加工することができる。このため、研磨などが不要で、加工工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。

本発明に係るガラス光学素子成形用のプレス金型で、前記金型母材はガラス製の非球面レンズを成形可能に、前記非球面レンズの反転形状に鏡面加工された成形面を有することが好ましい。この場合、非球面レンズの成形に使用することができる。金型母材がガラス状カーボンから成るため、切削条件や切削工具を最適化することにより、超硬合金に比べて、容易に鏡面加工することができ、金型として実用可能な精度を有する成形面を形成することができる。

本発明に係るガラス光学素子成形用のプレス金型の製造方法は、ガラス状カーボンから成る金型母材に対し、延性モード切削により鏡面加工して成形面を形成することを、特徴とする。

本発明に係るガラス光学素子成形用のプレス金型の製造方法では、金型母材がガラス状カーボンから成り、超硬合金に比べて低硬度であるため、切削加工だけでも容易に精密加工することができる。延性モード切削を行うことにより、高能率かつ高精度で鏡面加工することができ、金型として実用可能な精度を有する成形面を形成することができる。このように、研磨などが不要で、加工工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。

本発明に係るガラス光学素子成形用のプレス金型の製造方法は、ガラス製の非球面レンズを成形可能に、前記成形面を前記非球面レンズの反転形状に加工することが好ましい。この場合、製造された金型を、非球面レンズの成形に使用することができる。

本発明に係るガラス光学素子成形用のプレス金型の製造方法は、単結晶のダイヤモンド製のバイトを使用して前記延性モード切削を行うことが好ましい。この場合、より高精度に鏡面加工することができる。また、バイトの形状を最適化することにより、さらに加工精度を向上させることもできる。

本発明に係るガラス光学素子成形用のプレス金型の製造装置は、切削部と制御部とを有し、前記切削部は単結晶のダイヤモンド製のバイトを有し、前記制御部はガラス状カーボンから成る金型母材に対し、前記バイトで延性モード切削により鏡面加工して成形面を形成するよう前記切削部を制御可能であることを、特徴とする。

本発明に係るガラス光学素子成形用のプレス金型の製造装置では、ガラス状カーボンから成る金型母材に対し、制御部により切削部の単結晶のダイヤモンド製のバイトを制御して延性モード切削を行うことにより、高能率かつ高精度で鏡面加工して成形面を形成することができる。このように、研磨などが不要で、加工工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。また、バイトの形状を最適化することにより、さらに加工精度を向上させることもできる。

本発明に係るガラス光学素子成形用のプレス金型の製造装置で、前記制御部は、前記延性モード切削で、ナノメートルオーダーの加工精度を維持するよう前記切削部を制御可能であることが好ましい。この場合、金型として実用可能な精度を有する成形面を形成することができる。金型母材がガラス状カーボンから成り、バイトが単結晶のダイヤモンド製であるため、制御部により、ナノメートルオーダーの加工精度を維持するよう制御するのが容易である。

本発明によれば、容易に精密加工することができ、離型膜が不要で、製造コストを低減することができるガラス光学素子成形用のプレス金型、その製造方法および製造装置を提供することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図６は、本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型、その製造方法および製造装置を示している。
なお、本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型は、本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型の製造装置を使用して、本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型の製造方法により製造することができる。

図１に示すように、ガラス光学素子成形用のプレス金型１の製造装置１０は、支持台１１とワーク台１２と切削台１３とエアスピンドル１４と真空チャック１５とワークホルダ１６と回転テーブル１７と切削部１８と制御部（図示せず）とを有している。

ワーク台１２および切削台１３は、支持台１１の上に配置されている。エアスピンドル１４は、ワーク台１２の上に、水平面内で所定の方向（図１中のＺ方向）に沿ってスライド可能に設けられている。エアスピンドル１４は、先端の主軸が切削台１３に向くように配置されている。真空チャック１５は、エアスピンドル１４の主軸に取り付けられている。真空チャック１５は、エアスピンドル１４により、エアスピンドル１４のスライド方向に平行な主軸を中心として回転可能になっている。

ワークホルダ１６は、真空チャック１５に取り付けられ、真空チャック１５とともに回転可能になっている。ワークホルダ１６は、先端にプレス金型１の金型母材２などのワークを取付可能になっている。回転テーブル１７は、切削台１３の上に、水平面内でエアスピンドル１４のスライド方向に対して垂直な方向（図１中のＸ方向）に沿ってスライド可能に設けられている。回転テーブル１７は、円盤形状を成し、その中心軸まわりに水平面内で回転可能（図１中のＢ方向）になっている。

切削部１８は、工具台２１とバイト２２とを有している。工具台２１は、回転テーブル１７に取り付けられ、回転テーブル１７とともに回転可能になっている。図２に示すように、バイト２２は、単結晶のダイヤモンド製のバイトから成り、工具台２１の先端に取り付けられている。具体的な一例では、バイト２２は、幅３ｍｍ、厚さ１ｍｍの直方体状を成している。バイト２２の刃先２２ａは、端面が表面側でやや尖るよう、表面から裏面にかけて５度で傾斜しており、表面側の端縁がＲ１０ｍｍ、その端縁と両側縁との境界がＲ０．２ｍｍの曲線で形成されている。

図１および図３（ａ）に示すように、制御部は、エアスピンドル１４のＺ方向に沿ったスライド、回転テーブル１７のＸ方向に沿ったスライド、および、回転テーブル１７のＢ方向に沿った回転を制御可能になっている。これにより、制御部は、ワークホルダ１６に取り付けられた図４（ａ）に示すガラス状カーボンから成る金型母材２に対し、バイト２２で延性モード切削により鏡面加工して成形面３を形成するよう、切削部１８を制御可能になっている。また、制御部は、延性モード切削で、ナノメートルオーダーの加工精度を維持するよう切削部１８を制御可能になっている。

図１および図３（ａ）に示すように、ガラス光学素子成形用のプレス金型１の製造方法は、図４（ａ）に示すガラス状カーボンから成る金型母材２をワークホルダ１６に取り付け、単結晶のダイヤモンド製のバイト２２を使用して、延性モード切削を行う。このとき、制御部により切削部１８を制御し、バイト２２で延性モード切削により鏡面加工して、非球面レンズの反転形状の成形面３を形成する。こうして、図４（ａ）に示すように、ガラス光学素子成形用のプレス金型１を製造することができる。

図３（ａ）に示すように、ガラス光学素子成形用のプレス金型１の製造装置１０では、制御部により、バイト２２をＸＺＢの３軸で制御することにより、円弧包絡による形状創成を行うことができる。このとき、図３（ｂ）に示すように、バイト２２の刃元側では切削厚さが過大になるため、脆性破壊（クラック）が発生するが、刃先２２ａ近傍では切削厚さが非常に小さくなるため、脆性材料であっても延性モード切削を行うことができる。このため、ガラス光学素子成形用のプレス金型１の製造方法では、バイト２２の刃先２２ａを使用して延性モード切削を行う。なお、制御部による３軸での制御に限らず、ＸＺの２軸での制御による加工も可能である。

本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型１、その製造方法および製造装置１０では、金型母材２がガラス状カーボンから成るため、図４（ｂ）に示す金型母材５２が超硬合金から成る場合の金型５１を保護するための離型膜５３が不要である。また、ガラス状カーボンは、超硬合金に比べて低硬度であるため、切削加工に適し、切削加工だけでも容易に精密加工することができる。
なお、グラファイトカーボンは、結晶異方性があるため、割れやすく、加工が困難であり、金型母材として使用することはできない。

ガラス状カーボンから成る金型母材２に対し、制御部により切削部１８の単結晶のダイヤモンド製のバイト２２を制御してナノメートルオーダーの加工精度を維持して延性モード切削を行うことにより、高能率かつ高精度で鏡面加工して成形面３を形成することができる。なお、実際に延性モード切削を行った例を、図５に示す。図５に示すように、ナノメートルオーダーの加工精度で切削を行うことができる。

このように、本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型１、その製造方法および製造装置１０によれば、研磨などが不要で、加工工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。具体的な一例では、プレス金型の製造コストおよび保守コストを、図４（ｂ）に示す超硬合金の場合の１／１０まで低減することができる。

なお、非球面レンズの製造技術の中で、最も難しいといわれているのが、金型製造技術である。これまでは、図４（ｂ）に示す超硬合金などの耐熱用金型材料が使用されているが、加工が極めて困難で、形状も制約され、またプレス成形作業中の加熱および冷却の繰り返しによる金型５１の劣化や寿命の短縮が問題となっていた。これに対し、本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型１、その製造方法および製造装置１０によれば、金型母材２がガラス状カーボンから成るため、精密加工が容易で、金型の耐久性を高めることができる。

本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型１は、金型の生産性の大幅な向上と、金型の製造コストの飛躍的な削減とを同時に達成することができ、超硬合金に代わる次世代のガラス製の非球面レンズ用の金型となりうる。これにより、光学機器の高機能化・小型化が可能となり、光学製造分野における技術革新を推進することができる。

本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型１は、ガラス製の非球面レンズを成形することができる。図６に示すように、ガラス製の非球面レンズを成形するには、まず、ガラス素材３０をプレス金型１の成形面３に載せる。プレス金型１を入れたチャンバー内のエアをパージした後、プレス金型１およびガラス素材３０を成形温度まで加熱する。このとき、プレス金型１の金型母材２が、耐熱性に優れ、熱膨張係数が小さいガラス状カーボンから成っているため、加熱による変形や溶融が生じない。

次に、軟化したガラス素材３０をプレスして、非球面レンズの形に成形する。このとき、プレス金型１の応力変形の影響をなくすために、あらかじめ形状補正しておくか、圧力を小さくしてプレス成形することが好ましい。成形された非球面レンズ３０ａを冷却した後、プレス金型１から取り出す。このとき、プレス金型１の金型母材２が、溶融ガラスに対する濡れ性が低いガラス状カーボンから成っているため、プレス金型１にガラス素材３０が融着しない。このため、図４（ｂ）に示すような離型膜５３が不要である。こうして、本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型１により、ガラス製の非球面レンズ３０ａを成形することができる。

本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型の製造装置を示す平面図である。 図１に示すガラス光学素子成形用のプレス金型の製造装置のバイトを示す（ａ）平面図、（ｂ）側面図である。 本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型の製造方法の（ａ）切削状態を示すバイト部分の拡大側面図、（ｂ）延性モード切削の原理を示す切削部分の拡大側面図である。 （ａ）本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型を示す断面図、（ｂ）母材が超硬合金から成る従来のガラス成形用金型を示す断面図である。 本発明の実施の形態のガラス光学素子成形用のプレス金型の製造装置および製造方法の、延性モード切削による形成面の３次元形状の測定結果を示す斜視図である。 図４（ａ）に示すガラス光学素子成形用のプレス金型を使用した、ガラス製の非球面レンズの成形工程を示す工程図である。

符号の説明

１ プレス金型
２ 金型母材
３ 成形面
１０ 製造装置
１１ 支持台
１２ ワーク台
１３ 切削台
１４ エアスピンドル
１５ 真空チャック
１６ ワークホルダ
１７ 回転テーブル
１８ 切削部
２１ 工具台
２２ バイト

Claims (7)

1. 金型母材がガラス状カーボンから成ることを、特徴とするガラス光学素子成形用のプレス金型。
2. 前記金型母材はガラス製の非球面レンズを成形可能に、前記非球面レンズの反転形状に鏡面加工された成形面を有することを、特徴とする請求項１記載のガラス光学素子成形用のプレス金型。
3. ガラス状カーボンから成る金型母材に対し、延性モード切削により鏡面加工して成形面を形成することを、特徴とするガラス光学素子成形用のプレス金型の製造方法。
4. ガラス製の非球面レンズを成形可能に、前記成形面を前記非球面レンズの反転形状に加工することを、特徴とする請求項３記載のガラス光学素子成形用のプレス金型の製造方法。
5. 単結晶のダイヤモンド製のバイトを使用して前記延性モード切削を行うことを、特徴とする請求項３または４記載のガラス光学素子成形用のプレス金型の製造方法。
6. 切削部と制御部とを有し、
   前記切削部は単結晶のダイヤモンド製のバイトを有し、
   前記制御部はガラス状カーボンから成る金型母材に対し、前記バイトで延性モード切削により鏡面加工して成形面を形成するよう前記切削部を制御可能であることを、
   特徴とするガラス光学素子成形用のプレス金型の製造装置。
7. 前記制御部は、前記延性モード切削で、ナノメートルオーダーの加工精度を維持するよう前記切削部を制御可能であることを、特徴とする請求項６記載のガラス光学素子成形用のプレス金型の製造装置。