JP2008285337A - Apparatus for molding lens - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ピックアップや撮像素子に搭載されるレンズの成形装置に関するものであり、メニスカスレンズなどの、特に外形に対して中央部の厚みが薄い薄肉レンズの成形装置に関するものである。 The present invention relates to a molding apparatus for a lens mounted on an optical pickup or an image pickup device, and more particularly to a molding apparatus for a thin lens such as a meniscus lens, in which the thickness of the central portion is particularly thin with respect to the outer shape.
CDやMDなどの光記録・再生用のピックアップ装置、デジタルカメラや携帯電話に搭載される撮像装置には、耐熱、耐衝撃性などの使用環境を考慮してガラスレンズが用いられている。これらの機器の小型化・薄型化に対応するため、搭載されるガラスレンズとして、非球面レンズが要求されている。 Glass lenses are used in optical recording / reproducing pickup devices such as CDs and MDs, and imaging devices mounted on digital cameras and mobile phones in consideration of usage environments such as heat resistance and impact resistance. In order to cope with the reduction in size and thickness of these devices, an aspheric lens is required as a glass lens to be mounted.
このような、小型の非球面レンズは、重量や外形などを規定した硝材を加熱して軟化させた後、非球面形状を形成した一対の金型で成形することでその形状を転写していた。 Such a small aspherical lens had its shape transferred by a pair of molds having an aspherical shape after heating and softening a glass material that defines the weight and outer shape. .
図4は、従来のレンズの成形装置における要部断面図を示している。まず初めに、非球面を形成した成形面1a、2aを有する一対の金型1、2それぞれを、スリーブ3、4に挿入固定した後、ダイプレート5、6を介して加圧部7、8とボルト9で締結し、加圧部7、8と金型1、2とを一体固定する。そして、成形部1a、2a間に硝材10を挟持した後、少なくともガラス転移温度(Tg)以上に昇温して一定時間維持し、硝材10を軟化させ、加圧部7、8により互いに加圧することで成形を行う。最後に金型1、2を徐冷した後、成形した硝材10をレンズとして取り出すものである。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part in a conventional lens molding apparatus. First, a pair of molds 1 and 2 having molding surfaces 1a and 2a formed with aspherical surfaces are inserted and fixed to
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1、特許文献2が知られている。
通常、硝材10をガラス転移温度(Tg)以上に加熱した後、加圧して成形を行う。このとき、硝材10は、一対の金型1、2とともに、少なくとも400度以上に加熱されることになる。そのため、硝材10には、成形時に加圧部7、8からの圧力とともに、加熱に伴う一対の金型1、2やその周辺からの、線膨張係数の差により生じる応力が付加されることとなる。その結果、硝材10に限界値以上の応力がかかることにより、特にメニスカスレンズのようなその外形に対して中心厚みが小さい薄肉レンズを成形する際には、割れが発生しやすくなるという課題があった。
Usually, the
そこで本発明は、薄肉レンズであっても割れなく高精度に成形が可能な成形装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a molding apparatus that can mold a thin lens with high accuracy without cracking.
そして上記目的を達成するために、本発明は、移動手段と、この移動手段による変位量を測定する変位測定手段とを有し、対向して設けられた一対の基台と、この基台の対向面に載置され、内部に温度測定手段を有する一対の金型と、少なくともこの一対の金型を加熱する加熱手段と、前記変位測定手段および温度測定手段と接続され、移動手段と加熱手段の変位量または温度を制御する制御装置とからなり、前記一対の金型は、超音波発振素子と超音波受信素子とからなる応力測定手段を備え、この応力測定手段により、前記一対の金型で挟持される硝材にかかる応力を測定して前記制御装置へ出力し、この応力が一定値を越えないように移動手段または加熱手段の変位量、温度を制御しながら成形を行うものである。 In order to achieve the above object, the present invention has a moving means and a displacement measuring means for measuring a displacement amount by the moving means. A pair of molds placed on opposite surfaces and having temperature measuring means inside, a heating means for heating at least the pair of molds, and connected to the displacement measuring means and the temperature measuring means, moving means and heating means The pair of molds includes a stress measuring unit including an ultrasonic oscillation element and an ultrasonic receiving element, and the pair of molds is formed by the stress measuring unit. The stress applied to the glass material sandwiched between the two is measured and output to the control device, and molding is performed while controlling the displacement amount and temperature of the moving means or heating means so that the stress does not exceed a certain value.
本発明に係るレンズの成形装置は、移動手段と、この移動手段による変位量を測定するための変位測定手段とを有する一対の基台と、硝材を成形するための一対の金型と、少なくともこの一対の金型を加熱するための加熱手段と、移動手段および加熱手段と接続され、その温度や変位量とを制御するための制御装置とから構成されている。さらにこの一対の金型には、硝材を成形する面に対向して、一方に超音波発振素子を、他方に超音波を受信するための超音波受信素子とが設けられている。成形中に、超音波発振素子から発信された超音波は、金型、硝材、金型と伝播して、他方の超音波受信素子で受信されることで、硝材中に発生している応力を測定する。そして、この測定結果を制御装置へ出力して、その応力値が一定の値を越えないように、温度または変位量を制御しながら成形を行うので、硝材に破壊応力以上の応力がかかることがなく、その結果、メニスカスレンズなどの、外形に対して中心厚みの小さい薄肉レンズであっても、割れなく高精度に成形できる効果を奏する。 A lens molding apparatus according to the present invention includes a pair of bases having a moving unit, a displacement measuring unit for measuring a displacement amount by the moving unit, a pair of molds for molding a glass material, and at least The heating means for heating the pair of molds, and a control device connected to the moving means and the heating means for controlling the temperature and the amount of displacement thereof. Further, the pair of molds are provided with an ultrasonic oscillation element on one side and an ultrasonic reception element for receiving ultrasonic waves on the other side, facing the surface on which the glass material is formed. During molding, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic oscillation element propagates through the mold, the glass material, and the mold, and is received by the other ultrasonic receiving element, thereby reducing the stress generated in the glass material. taking measurement. Then, this measurement result is output to the control device, and the molding is performed while controlling the temperature or the displacement amount so that the stress value does not exceed a certain value. As a result, even a thin lens having a small center thickness with respect to the outer shape, such as a meniscus lens, can be molded with high accuracy without cracking.
以下、本発明の一実施の形態におけるレンズの成形装置について、図を用いて説明する。 Hereinafter, a lens molding apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明のレンズの成形装置を説明する構成図である。特に発明のポイントである金型近傍は、断面図で示している。 FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a lens molding apparatus according to the present invention. In particular, the vicinity of the mold, which is the point of the invention, is shown in a sectional view.
本実施例のレンズの成形装置は、移動手段11と、この移動手段11による変位量を測定するための変位測定手段12とを備えた基台13上に、固定された基台14を一定の間隔で対向して設けている。そしてこれら両基台13、14の対向面13a、14a上に金型15、16を、それぞれの成形面15a、16aどうしが対向するように載置、固定されている。このように、両基台13、14上に載置された金型15、16は、各成形面15a、16aが上下に対をなして、その硝材17を挟持する。また、少なくとも金型15、16の周囲には、カーボンヒータやセラミックヒータ、または電磁加熱式などの加熱手段18を設け、金型15、16とともに硝材17を一定の温度に加熱する。成形面15a、16aに挟持された硝材17は、加熱手段18により一定温度に加熱された後、移動手段11により加圧されて、成形面15a、16aに倣った形状のレンズに成形されるものである。
In the lens molding apparatus of this embodiment, a fixed base 14 is fixed on a base 13 having a moving means 11 and a displacement measuring means 12 for measuring a displacement amount by the moving means 11. They are provided facing each other at intervals. The
また、上記の金型15、16の少なくとも一方には、熱電対などからなる温度測定手段19を有し、変位測定手段12、移動手段11、加熱手段18とともに制御装置20に接続されている。制御装置20は、主に加熱温度、加圧、そしてこれらの保持時間などからなる成形プロファイルを記憶し、温度測定手段19および変位測定手段12からの出力信号を監視しながら、設定された成形プロファイルに沿って上記移動手段11および加熱手段18の温度や変位量を制御するものである。
Further, at least one of the
さらに、各金型15、16には、成形面15a、16aの直下に、一方には超音波発振素子21が、他方には超音波受信素子22がそれぞれ接続されている。これらの超音波発振素子21および超音波受信素子22は、成形時に金型15、16が300〜800℃と高温になることから、断熱材23を介して金型15、16に接続されており、さらに、断熱材23の一部を含めてペルチェ素子などからなる冷却手段24で覆うことで、金型15、16および加熱手段18からの輻射熱の影響を最小限に抑えている。
Furthermore, the ultrasonic oscillating
断熱材23としては、少なくとも金型15、16よりも熱伝導性の低い材料を選択すればよい。金型15、16として炭化珪素(SiC)や超硬(WC)、グラッシーカーボンなどを用いる場合、断熱材23としては、例えばガリウム砒素、窒化ガリウム、サファイア、窒化ホウ素などを選択する。
As the
また、超音波発振素子21および超音波受信素子22に用いる素子としては、その使用時の温度を考慮して、高いキュリー点温度を持ち高温下でも圧電特性を失いにくい無機圧電材料、例えばチタン酸ジルコニア鉛リチウムや窒化アルミニウムなどを選択する。
In addition, as an element used for the
ここで重要なのが、上記超音波発振素子21および超音波受信素子22を、各基台13、14にザグリ孔を設けることにより、断熱材23を介してそれぞれの金型15、16に懸架して接続することである。こうすることにより、超音波発振素子21から発振される振動が、基台13に吸収、拡散されて減衰されることなく、他方の超音波受信素子22へ確実に伝播させることができる。
What is important here is that the ultrasonic oscillating
次に上記のレンズの成形装置を用いた成形のフローを図2に示す。 Next, FIG. 2 shows a molding flow using the lens molding apparatus.
まず初めに、硝材17や成形するレンズの形状精度を考慮した成形条件を仮設定する(25)。この成形条件は、硝材17の加熱温度、加圧やそれらの保持時間からなる成形プロファイルである。 First, a molding condition is set in consideration of the shape accuracy of the glass material 17 and the lens to be molded (25). This molding condition is a molding profile composed of the heating temperature and pressure of the glass material 17 and the holding time thereof.
次に、硝材17と、上下に一対の金型15、16とを同軸上に配置した後、成形を開始する(26)。そして(25)で設定された仮成形条件となるように、制御装置20により、加熱手段18および移動手段11を制御する。すなわち、加熱手段18により金型15、16とともに硝材17を加熱して一定温度に保持しながら、移動手段11によって下側の基台13とともに金型15を上昇させる。こうすることにより、金型15、16で硝材17を挟持するとともに、一定の圧力で硝材17を加圧する。このとき、基台13の変位量を変位測定手段12で測定する。さらにこの加圧時に、超音波発振素子21より発振された超音波は下側の金型15を介して硝材17に伝播し、上側の金型16を介して超音波受信素子22に受信される。
Next, after the glass material 17 and the pair of upper and
このとき重要なのが、超音波発振素子21および超音波受信素子22とを二組以上配置し、それぞれの超音波発振素子21を発振させるタイミングをずらすことである。こうすることにより、成形中に硝材17内部に発生する応力とその位置を正確に測定することが可能となる。
What is important at this time is to dispose two or more sets of the
また、超音波発振素子21と超音波受信素子22の配置は、レンズの形状に合わせて、金型15、16の中心軸上に一組、そして同心円状に一組以上設置してもよい。こうすることにより、レンズの成形時に最大応力が発生する場所が変化した場合であっても確実かつ正確に測定することが可能となる。上記のように超音波発振素子21および超音波受信素子22を用いて、成形中の硝材17中に発生する最大応力を算出する(27)。
Further, the arrangement of the
次に、この算出した最大応力が、成形する硝材17の割れ発生閾値を越えているかどうかを判定する(28)。このとき、制御装置20の内部の記憶部に、予めシミュレーションや実験により求めた硝材の割れ発生閾値(破壊応力)のデータをライブラリ(29)として保存し、その値と比較することで判定する。このデータは、常温のデータのみでなく、成形時の各温度におけるデータを準備、保存しておくことで、成形時の割れの発生を防止することができる。この判定において、成形中に発生している最大応力が、ライブラリ(29)に保存している割れ発生閾値以下であれば、そのまま成形を進めて、常温まで冷却する(30)。閾値を越えている場合は、制御装置20を介して加熱手段18および移動手段11を制御して、割れ発生閾値を越えないように加熱温度または変位量を制御しながら成形を続行する(31)。
Next, it is determined whether or not the calculated maximum stress exceeds a crack occurrence threshold of the glass material 17 to be formed (28). At this time, determination is made by storing, as a library (29), data on a glass material crack occurrence threshold (fracture stress) obtained in advance by simulation or experiment in a storage unit inside the
また上記の制御は、あらかじめ入力しておいた、温度や変位量などの成形条件と割れ発生閾値のライブラリによって成形中のワレ発生の有無を推定し、割れ発生の閾値を越えないように温度や変量を調節してもよい。この場合、応力の推定を一定間隔Δtで行い、現在の応力値をσE1、このときの割れ発生の閾値をσC1、現在から一定間隔Δtだけ遡った時点での応力値をσE0、このときの割れ発生の閾値をσC0、現在の成形条件における一定間隔Δt後の応力予測値をσE2、このときの割れ発生の閾値をσC2、現在の温度をT1、硝材17の屈伏点をTATとしたときに、
T1<TAT+70
|σE2−σC2|/|σE1−σC1|<1
0.7・σC2<(σE1−σE0)+σE1<0.9・σC2
上記の式で表される関係を満たすように温度と変位量の制御を行う。
In addition, the above control estimates the presence or absence of cracking during molding using a library of molding conditions such as temperature and displacement and crack occurrence threshold values that have been input in advance. Variables may be adjusted. In this case, the stress is estimated at a constant interval Δt, the current stress value is σ E1 , the cracking threshold at this time is σ C1 , and the stress value at the time point that is a predetermined interval Δt from the present is σ E0 , Σ C0 is the threshold value for occurrence of cracks at the time, σ E2 is the predicted stress value after a predetermined interval Δt in the current molding conditions, σ C2 is the threshold value for occurrence of cracks at this time, T 1 is the current temperature, and the yield point of the glass material 17 Is T AT
T 1 <T AT +70
| Σ E2 −σ C2 | / | σ E1 −σ C1 | <1
0.7 ・ σ C2 <(σ E1 −σ E0 ) + σ E1 <0.9 ・ σ C2
The temperature and the amount of displacement are controlled so as to satisfy the relationship represented by the above formula.
最後に常温まで冷却した後、金型15、16からレンズを取り出して成形を終了する(32)。上記の工程を繰り返し、成形したレンズの形状精度を評価して、仮成形条件を調整するものである。
Finally, after cooling to room temperature, the lens is taken out from the
本実施例では、硝材17中に発生する応力を、超音波を用いて測定する。この超音波は、音速の異なる材料を伝播するとき、その境界で屈折または反射するため、特に断熱材23および金型15、16との接続がその測定精度に大きく影響する。以下に、断熱材23の配置について図3を用いてその詳細を説明する。
In the present embodiment, the stress generated in the glass material 17 is measured using ultrasonic waves. Since this ultrasonic wave is refracted or reflected at the boundary when propagating through materials having different sound speeds, especially the connection between the
超音波発振素子21から発振された超音波は、金型15や断熱材23などの、材料が異なりその伝播速度が変化する境界で屈折して拡散する。このときの超音波の屈折角θoutは、出射側材料の音速をvout、入射角θin、入射側材料の音速vinとすると、次の式で表現される。
The ultrasonic wave oscillated from the
(Sinθout)/vout=(Sinθin)/vin
この式より、音速の速い材料から遅い材料に超音波が伝播するとき、その出射角度は入射角度より小さくなることがわかる。
(Sinθ out ) / v out = (Sinθ in ) / v in
From this equation, it can be seen that when an ultrasonic wave propagates from a material having a high sound velocity to a material having a low sound velocity, the emission angle is smaller than the incident angle.
また音速voutは、伝播する材料の密度ρoutの平方根に反比例し、体積弾性率Koutの平方根に比例し、次式によって表現される。 The sound velocity v out is inversely proportional to the square root of the density ρ out of the propagating material and proportional to the square root of the bulk modulus K out and is expressed by the following equation.
vout=(Kout/ρout)1/2
上記の式により、伝播する材料の密度と体積弾性率から超音波の伝播速度を算出することが可能となり、この値を用いて、超音波の屈折による拡散が抑えられるように境界面の形状を決定し、測定の高精度化を図る。
v out = (K out / ρ out ) 1/2
The above formula makes it possible to calculate the propagation velocity of ultrasonic waves from the density and bulk modulus of the propagating material. Using this value, the shape of the boundary surface can be reduced so that diffusion due to ultrasonic refraction is suppressed. Decide and increase the accuracy of measurement.
なお、金型15、16と硝材17との界面での反射率Rについては、入射側の材料の密度ρout、音速voutとそれらの積である音響インピーダンスZoutと、入射側の材料の密度ρin、音速vin、音響インピーダンスZinによって次のように表現される。
The reflectance R at the interface between the
Zout=ρout・vout
Zin=ρin・vin
R=(Zout−Zin)/(Zin+Zout)
なお、金型15、16の材料と硝材17との組み合わせによっては、金型15、16と硝材17との音響インピーダンスの差が著しく大きく、金型15、16と硝材17との間での反射率が高い場合は、上側の金型16と硝材17との界面で発生する反射波の伝播速度を下側の金型15の底面に設置された超音波発振素子21で測定することによって、高精度な測定が可能となる。また、金型15、16と断熱材23との間でも反射が発生するため、金型15、16と断熱材23との音響インピーダンスの差が小さくなるような材料を選ぶことにより、金型15、16と断熱材23との境界での反射を抑え、測定の精度を高めることが可能となる。
Z out = ρ out・ v out
Z in = ρ in · v in
R = (Z out -Z in) / (Z in + Z out)
Depending on the combination of the material of the
このとき、金型15、16の音速が断熱材23の音速より遅い場合は図3(a)もしくは、図3(b)のような境界の形状となり、金型15、16の音速が断熱材23の音速より速い場合は図3(c)もしくは、図3(d)のような境界の形状とすることによって、超音波の拡散を抑え、超音波発振素子21で発振した超音波を超音波受信素子22まで効率よく伝播させることが可能になる。
At this time, when the sound speed of the
また、金型15、16の音響インピーダンスZMと硝材17の音響インピーダンスZGの関係をZM>ZGとすると、超音波の反射の関係式により、下側の金型15と硝材17との界面で位相が90度進む。この位相成分を、超音波受信素子22で受けた位相成分から差し引くことによって、硝材17で起こった位相変化量を測定することが可能となり、音弾性法によって硝材17内部で発生していた応力を測定することが可能になる。
If the relationship between the acoustic impedance Z M of the molds 15 and 16 and the acoustic impedance Z G of the glass material 17 is Z M > Z G , the
上記の実施例は、超音波発振素子21を複数設けて、各々の発振のタイミングをずらした例であるが、発振位相の異なる超音波発振素子21を複数設けても同様の効果が得られる。
The above embodiment is an example in which a plurality of
上述した成形装置を用いて成形することにより、外形に対して中心部が薄いメニスカスレンズなどの薄肉レンズを、割れや欠けを発生させることなく、高い精度で成形することが可能となる。 By molding using the above-described molding apparatus, it is possible to mold a thin lens such as a meniscus lens having a thin center portion with respect to the outer shape with high accuracy without causing cracks or chipping.
本発明に係るレンズの成形装置は、移動手段と、この移動手段による変位量を測定するための変位測定手段とを有する一対の基台と、硝材を成形するための一対の金型と、少なくともこの一対の金型を加熱するための加熱手段と、移動手段および加熱手段と接続されて、その温度や変位量とを制御するための制御装置とから構成されている。さらにこの一対の金型には、硝材を成形する面に対向して、一方に超音波発振素子を、他方に超音波を受信するための超音波受信素子とが設けられている。成形中に、超音波発振素子から発信された超音波は、金型、硝材、金型と伝播して、他方の超音波受信素子で受信されることで、硝材中に発生している応力を測定する。そして、この測定結果を制御装置へ出力して、その応力値が一定の値を越えないように、温度または変位量を制御しながら成形を行うので、硝材に破壊応力以上の応力がかかることがなく、その結果、メニスカスレンズなどの、外形に対して中心厚みの小さい薄肉レンズであっても、割れなく高精度に成形できる効果を奏するので、メニスカスレンズなどの、特に外形に対して中央部の厚みが薄い薄肉レンズの成形装置に有用である。 A lens molding apparatus according to the present invention includes a pair of bases having a moving unit, a displacement measuring unit for measuring a displacement amount by the moving unit, a pair of molds for molding a glass material, and at least The heating means for heating the pair of molds, and a control device connected to the moving means and the heating means for controlling the temperature and the amount of displacement thereof. Further, the pair of molds are provided with an ultrasonic oscillation element on one side and an ultrasonic reception element for receiving ultrasonic waves on the other side, facing the surface on which the glass material is formed. During molding, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic oscillation element propagates through the mold, the glass material, and the mold, and is received by the other ultrasonic receiving element, thereby reducing the stress generated in the glass material. taking measurement. Then, this measurement result is output to the control device, and the molding is performed while controlling the temperature or the displacement amount so that the stress value does not exceed a certain value. As a result, even a thin lens having a small center thickness with respect to the outer shape, such as a meniscus lens, has the effect of being able to be molded with high precision without cracking. This is useful for an apparatus for forming a thin lens having a small thickness.
11 移動手段
12 変位測定手段
13 基台
14 基台
15 金型
16 金型
17 硝材
18 加熱手段
19 温度測定手段
20 制御装置
21 超音波発振素子
22 超音波受信素子
23 断熱材
24 冷却手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Moving means 12 Displacement measuring means 13 Base 14
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