JP2009091199A - 光学素子用成形型 - Google Patents

Abstract

【課題】成形された光学素子の離型性を改善可能な光学素子用成形型を提供する。
【解決手段】一対の上型１０、下型２０からなり、一対の型の間に配置された成形素材を加熱して軟化させ、プレス成形するために用いられる光学素子用成形型が提供される。本光学素子用成形型は、上型が下型よりも小さな線膨張係数の材料により形成されたことを特徴とする。かかる構成によれば、離型を促進させたい上型において、光学素子１と成形型との境界面に沿って生じる光学素子の収縮量と成形型の収縮量とのズレが相対的に大きくなり、境界面に沿って間隙が生じ易くなる。これにより、光学素子が上型から離型し、下型に残留（付着）し易くなるので、光学素子の離型性を改善することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学素子用成形型に関する。

近年、レンズ、プリズムや光通信部品など、高い光学特性を要求されるガラス製の光学素子がプレス成形により大量生産されている。プレス成形では、溶融ガラスを型内で冷却して成形素材（プリフォーム）を作製し、成形素材を高精度の成形面を備えた成形型内に配置し、成形型を介して成形素材をガラスの屈伏点付近の温度まで加熱した後にプレスし、成形面の形状を成形素材に転写することで光学素子が成形される。ここで、プレスされた成形素材は、ガラスの転移点以下となるまで成形型内で冷却された後、成形型から光学素子として離型され、取出されて搬送される。

冷却工程では、光学素子の形状、成形条件などに応じて、光学素子と成形型との間に負圧の密閉空間が形成されるなどして、光学素子が成形型に付着してしまい、離型が困難となる場合がある。そして、成形工程上の条件により特定の型（一般的には下型）から光学素子の取出・搬送が予定されている場合に、光学素子が他方の型（一般的には上型）に付着した状態にあると、光学素子の取出・搬送に支障が及ぶことになる。

上記のような問題を解決するために、下記特許文献１は、上型と下型との間に温度差を設け、レンズを成形型の温度まで冷却した後に離型する成形方法を開示している。この成形方法では、例えば、上型を下型よりも低温に制御することで、レンズが上側に凸状に僅かに反り、上型から離型し易くなり、下型から取出・搬送される。また、下記特許文献２は、上下型を包囲して摺動させる胴型の摺動面に段差部を設けた成形装置を開示している。この成形装置では、成形体の離型に際して、上型に付着した成形体の端部を段差部に接触させることで、成形体が強制的に上型から離型し、下型から取出・搬送される。また、下記特許文献３は、上型の成形面のうち光学機能面形成領域以外に粗面を形成した成形型を開示している。この成形型では、冷却工程で光学素子が収縮し、光学素子に転写された粗面が上型に形成された粗面を乗上げることで、光学素子と上型との間に外気を流入させる隙間が生じ、光学素子が上型から離型し易くなり、下型から取出・搬送される。

特開平５−７０１５４号公報 特開平１１−４９５２３号公報 特開２００１−１０８３１号公報

しかし、特許文献１に記載の成形方法では、上型と下型との間に温度差を設けるために、成形型の温度制御が煩雑になるという問題がある。また、特許文献２に記載の成形装置では、胴型の摺動面に段差部を設けるために、胴型に内径の異なる２つの摺動面を設ける必要があり、２つの摺動面の中心軸が偏心している場合には、成形体の同軸度が低下するという問題がある。また、特許文献３に記載の成形型では、成形面の一部に粗面を形成することで、光学素子の使用方法に応じては、粗面部の切除が必要となる。また、粗面部を切除しない場合には、粗面部が取付け面となるので鏡筒に対する組込み精度が低下したり、粗面部に入射した光が乱反射して迷光現象が誘発されたりするなどの問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、成形された光学素子の離型性を改善可能な、新規かつ改良された光学素子用成形型を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、一対の型からなり、一対の型の間に配置された成形素材を加熱して軟化させ、プレス成形するために用いられる光学素子用成形型が提供される。本光学素子用成形型は、一対の型が、成形素材よりも小さく、かつ、互いに異なる線膨張係数の材料により形成されたことを特徴とする。

かかる構成によれば、一対の型が互いに異なる線膨張係数の材料により形成されているので、冷却工程では、相対的に小さな線膨張係数の型において、光学素子と成形型との境界面に沿って生じる光学素子の収縮量と成形型の収縮量とのズレが大きくなる。よって、離型を促進させたい特定の型を相対的に小さな線膨張係数の材料により形成することで、光学素子と成形型との境界面に沿って生じる収縮量のズレが相対的に大きくなり、境界面に沿って間隙が生じ易くなる。これにより、光学素子が特定の型から離型し、他方の型に残留（付着）し易くなるので、光学素子の離型性を改善することができる。

また、上記一対の型が上型および下型からなり、上型は、下型よりも小さな線膨張係数の材料により形成されてもよい。かかる構成によれば、上型が下型よりも小さな線膨張係数の材料により形成されているので、光学素子が上型から離型し、下型に残留（付着）し易くなるので、光学素子の離型性を改善することができる。

本発明によれば、成形された光学素子の離型性を改善可能な光学素子用成形型を提供することができる。

以下に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（光学素子成形装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る光学素子用成形型を含む光学素子成形装置を示す説明図である。図１に示すように、成形装置は、上型１１０、下型１２０、固定軸３０、移動軸４０、駆動装置６０、および加熱ユニット７０を含んで構成される。

上型１１０は、フレーム２の上部から下方に延設された固定軸３０の下端面に断熱筒３２を介して装着されている。上型１１０は、コア金型１１２、金型プレート１１４、コア金型１１２を金型プレート１１４に固定するモールド（固定）金型１１６で構成される。下型１２０は、上型１１０に対向するようにフレーム２の下部から上方に延設された移動軸４０の上端面に断熱筒４２を介して装着されている。下型１２０は、コア金型１２２、金型プレート１２４、コア金型１２２を金型プレート１２４に固定するモールド（移動）金型１２６で構成される。断熱筒３２、４２は、上型１１０および下型１２０と、固定軸３０および移動軸４０との間の熱伝達を抑制する。

金型プレート１１４には、成形面を形成された複数のコア金型１１２が、例えば、周方向に略等間隔で配列され、複数のコア金型１１２がモールド金型１１６により金型プレート１１４に固定されている。金型プレート１２４には、コア金型１１２に対向する成形面を形成された複数のコア金型１２２が周方向に略等間隔で配列され、複数のコア金型１２２がモールド金型１２６により金型プレート１２４に固定されている。

モールド金型１１６、１２６の互いに対向する面には、プレス成形に際して上型１１０と下型１２０との間の位置決めを規制するために、少なくとも２箇所に位置決めピン１１７および位置決め孔１２７の組合せが設けられている。

固定軸３０は、上部プレート３４に設けられた開口部を貫通しており、上部プレート３４が上下方向に駆動される。開口部にはシーリングが施されており、上部プレート３４は、固定軸３０との間で気密性を保持しながら上下方向に摺動する。移動軸４０は、下部フレーム４に設けられた開口部を貫通しており、下部プレート４４が下部フレーム４に固定される。開口部にはシーリングが施されており、移動軸４０は、下部フレーム４との間で気密性を保持しながら上下方向に摺動する。

上型１１０、下型１２０、断熱筒３２、４２、固定軸３０の下端部および移動軸４０の上端部は、熱伝達性を有する石英などで形成された内筒５２により囲まれ、気密性が保持された成形室５０を構成するように密閉されている。

駆動装置６０は、モータ６２などを駆動源としており、移動軸４０の移動量を検出する位置センサ（不図示）が設けられ、移動軸４０の下端に荷重検出器６４を介して接続されている。駆動装置６０は、位置、速度（プレス力の変化勾配）、および軸加重（プレス力）を制御されながら、移動軸４０を上下方向に移動させる。

加熱ユニット７０は、内筒５２の周囲に配置された外筒５４に装着され、例えば、赤外線ランプ、ハロゲンランプなど、熱線を放射するランプ７２、および反射ミラー７４を含む。加熱ユニット７０は、例えば、環状のランプを上下方向に複数段積重ねて構成される。加熱ユニット７０では、上型１１０および下型１２０に装着された温度測定用の熱電対（不図示）を通じて、熱線の輻射熱による温度および温度変化（温度変化勾配）を制御されながら、ランプ７２の出力が調整される。加熱ユニット７０は、ランプ７２から上型１１０、下型１２０の外周面に熱線を放射し、熱線の輻射熱により上型１１０、下型１２０を加熱し、加熱された上型１１０および下型１２０からの熱伝達によって成形素材を加熱する。

加熱ユニット７０、内筒５２、外筒５４およびそれらの付帯設備は、上部プレート３４の下側に固定され、別の駆動装置（不図示）によって、一体的に上方に引き上げ可能である。よって、下型１２０に対する成形素材の配置、および成形された光学素子１の取出しに際して、加熱ユニット７０、内筒５２および外筒５４を上方に退避させることで、成形室５０内を開放することができる。

成形装置は、ガス貯蔵タンク（不図示）から固定軸３０を介して断熱筒３２に設けられた給気口３３に至る給気路と、ガス貯蔵タンクから移動軸４０を介して断熱筒４２に設けられた給気口４３に至る給気路とを有する。また、成形装置は、上部プレート３４に設けられた排気口３５からガス貯蔵タンクに接続された排気路と、下部プレート４４に設けられた排出口４５から真空吸引装置（不図示）に接続された排出路とを有する。

給気路は、経路上に設けられた給気バルブ（不図示）を制御されながら、ガス貯蔵タンクから成形室５０に対して所定のガス（例えば、窒素ガスなどの不活性ガス）を供給する。排気路は、経路上に設けられた排気バルブ（不図示）を制御されながら、成形室５０からガス貯蔵タンクに対して所定のガスを排気する。排出路は、経路上に設けられた排出バルブ（不図示）を制御されながら、真空吸引装置により成形室５０内の大気を外部に排出する。

（プレス成形の概要）
光学素子１のプレス成形は、前述したような成形装置を用いて行われる。ここで、光学素子１のプレス成形の概要について説明する。プレス成形は、一般的に、パージ、加熱（昇温、均熱）、プレス、冷却（徐冷、急冷）の各工程からなる。

プレス成形に際して、まず、下型１２０に成形素材が配置される。パージ工程では、真空吸引装置により成形室５０内の大気が排出され、真空状態の成形室５０内にガス貯蔵タンクから窒素ガスが供給されることで、成形室５０内の大気が窒素ガスに置換（パージ）される。昇温工程では、上下型１１０、１２０に装着された熱電対などを用いて、加熱ユニット７０を制御しながら、ランプ７２から放射される熱線により上下型１１０、１２０を介して成形素材が加熱される。均熱工程では、加熱ユニット７０を制御しながら、昇温工程で加熱された成形素材が所定のプレス温度に保たれる。

プレス工程では、荷重検出器６４および位置センサを用いて、駆動装置６０のプレス力・移動量を制御しながら、下型１２０が所定の位置まで上昇され、上型１１０および下型１２０により成形素材がプレスされる。徐冷工程では、窒素ガスの供給による冷却、加熱ユニット７０による加熱を用いて、成形室５０内の温度を制御しながら、成形素材が所定の温度まで徐々に冷却される。急冷工程でも、成形室５０内の温度を制御しながら、成形素材が所定の温度まで急激に冷却される。急冷工程が完了すると、光学素子１が上下型１１０、１２０から離型され、例えば、吸着パッドなどにより吸引されて成形室５０から取出・搬送される。

ここで、冷却工程（徐冷、急冷）後における光学素子１の離型に際しては、光学素子１の形状、成形条件などに応じて、光学素子１と成形型１１０、１２０との間に負圧の密閉空間が形成されるなどして、光学素子１が成形型１１０、１２０に付着してしまい、離型が困難となる場合がある。そして、成形工程上の条件により下型１２０から光学素子１の取出・搬送が予定されている場合に、光学素子１が上型１１０に付着した状態にあると、光学素子１の取出・搬送に支障が及ぶことになる。

（成形型の実施形態）
図２は、本実施形態に係る光学素子用成形型の一例を示す説明図である。図２に示すように、本実施形態に係る成形型１００は、コア金型１１２、金型プレート１１４、モールド金型１１６からなる上型１１０と、コア金型１２２、金型プレート１２４、モールド金型１２６からなる下型１２０を含んで構成される。上型（コア金型１１２）１１０には、光学機能面を含む凹状の光学面を成形素材に成形するための成形面１１２ａと、凹状の光学面の外縁に平坦な面を成形するための成形面１１２ｂとが形成されている。一方、下型１２０（コア金型１２２）には、光学機能面を含む凸状の光学面を成形素材に成形するための成形面１２２ａと、凸状の光学面の外縁に平坦な面を成形するための成形面１２２ｂとが形成されている。

なお、本実施形態に係る成形型１００には、図２に示す以外にも、例えば、上型１１０に凸状、下型１２０に凹状の組合せ、上下型１１０、１２０に凹状もしくは凸状の組合せ、および／または、平坦面を有しない形状など、成形対象となる光学素子１の形状に応じて、所望の成形面が形成される。

本実施形態に係る成形型１００は、光学素子１の離型に際して生じる上記問題を解消するために、少なくともコア金型１１２、１２２の部分を含む上下型１１０、１２０を、互いに異なる線膨張係数の材料により形成する点に特徴を有する。成形型１００は、特に、上型１１０が下型１２０よりも小さな線膨張係数の材料により形成されている。

成形型１００を形成する材料としては、タングステン合金、マグネシウム合金などの超硬合金、ガラス状炭素、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ステンレススチール（ＳＵＳ）などが例示的に列挙される。これらの材料の線膨張係数の一例は、ガラス状炭素３．４ｘ１０^−６／℃、炭化ケイ素４．１ｘ１０^−６／℃、超硬合金４．７〜４．９ｘ１０^−６／℃、ステンレススチール９．９ｘ１０^−６／℃である。一方、成形素材となる一般硝材（屈伏点６００℃超過）、低融点硝材（屈伏点６００℃以下）の線膨張係数の一例は、各々に７．３ｘ１０^−６／℃、１４．５ｘ１０^−６／℃である。

例示的に列挙した材料に関して、一般硝材から光学素子１を成形する場合には、例えば、上型１１０がガラス状炭素、下型１２０が炭化ケイ素もしくは超硬合金の組合せ、または、上型１１０が炭化ケイ素、下型１２０が超硬合金の組合せなどが適用可能である。

同様に、低融点硝材から光学素子１を成形する場合には、例えば、上型１１０がガラス状炭素、下型１２０が炭化ケイ素、超硬合金、ステンレススチールのいずれかの組合せ、上型１１０が炭化ケイ素、下型１２０が超硬合金もしくはステンレススチールの組合せ、または、上型１１０が超硬合金、下型１２０がステンレススチールの組合せなどが適用可能である。

光学素子１のプレス成形において、前述したような本実施形態に係る成形型１００を用いることで、以下のような作用効果が生じる。図３は、本実施形態に係る成形型を用いた場合における光学素子の離型状況を示す説明図である。なお、図３（Ａ）は、冷却工程の開始前の状況、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、冷却工程時の状況を各々に示している。

冷却工程の開始前では、上下型１１０、１２０および光学素子１（成形素材）の加熱によって、図３（Ａ）に示すように、上下型１１０、１２０および光学素子１には、膨張ひずみが発生する。上下型１１０、１２０（成形面１１２ａ、１１２ｂ、１２２ａ、１２２ｂ）と光学素子１との境界面に着目すれば、膨張ひずみは、境界面に対して平行および垂直に発生するが、特に境界面に沿って生じる膨張量（図中の矢印）が顕著となる。ここで、境界面では、線膨張係数の差に伴って、上下型１１０、１２０に比して、光学素子１が相対的に大きく膨張する。また、線膨張係数の差に伴って、上型１１０（成形面１１２ａ、１１２ｂ）に比して、下型１２０（成形面１２２ａ、１２２ｂ）が相対的に大きく膨張する。

冷却工程では、硝材の屈伏点以上の温度まで加熱されて軟化し、プレスされた光学素子１（成形素材）が、硝材の転移点以下まで徐々に冷却された後に、取出し温度まで急激に冷却される。冷却の過程では、軟化して上下型１１０、１２０（成形面１１２ａ、１１２ｂ、１２２ａ、１２２ｂ）に付着していた光学素子１が徐々に硬化して収縮する一方、加熱により膨張していた上下型１１０、１２０（成形面１１２ａ、１１２ｂ、１２２ａ、１２２ｂ）も徐々に収縮する。

よって、冷却工程の開始時では、上下型１１０、１２０および光学素子１（成形素材）の冷却によって、図３（Ｂ）に示すように、上下型１１０、１２０および光学素子１には、収縮ひずみが発生する。上下型１１０、１２０（成形面１１２ａ、１１２ｂ、１２２ａ、１２２ｂ）と光学素子１との境界面に着目すれば、収縮ひずみは、境界面に対して平行および垂直に発生するが、特に境界面に沿って生じる収縮量（図中の矢印）が顕著となる。ここで、境界面では、線膨張係数の差に伴って、上下型１１０、１２０に比して、光学素子１が相対的に大きく収縮する。また、線膨張係数の差に伴って、上型１１０（成形面１１２ａ、１１２ｂ）に比して、下型１２０（成形面１２２ａ、１２２ｂ）が相対的に大きく収縮する。

このため、冷却工程の経過に伴って、図３（Ｃ）に示すように、上下型１１０、１２０と光学素子１との間では、上下型１１０、１２０の収縮量と光学素子１の収縮量との間にズレが生じる。特に、上下型１１０、１２０および光学素子１の外縁部では、内部に比して温度降下の影響が大きいので、収縮量が相対的に大きくなり、結果として、上下型１１０、１２０と光学素子１との間の収縮量のズレも相対的に大きくなる。

上下型１１０、１２０と光学素子１との間で収縮量のズレが生じることによって、上下型１１０、１２０および光学素子１の外縁部では、上下型１１０、１２０と光学素子１との間に間隙が生じ易くなる。これは、上下型１１０、１２０が光学素子１よりも小さな線膨張係数の材料により形成されているので、光学素子１の収縮に追従して上下型１１０、１２０（成形面１１２ａ、１１２ｂ、１２２ａ、１２２ｂ）が収縮できないことに起因している。

そして、上下型１１０、１２０と光学素子１との間の線膨張係数の差が大きくなるほど、上下型１１０、１２０と光学素子１との間には、大きな間隙が生じ易くなる。このため、上型１１０が下型１２０よりも小さな線膨張係数の材料により形成されているので、上型１１０と光学素子１との間では、下型１２０と光学素子１との間に比して、線膨張係数の差が相対的に大きくなる。これにより、上型１１０と光学素子１との間では、相対的に大きな間隙が生じ易くなることで、上型１１０と光学素子１との間の付着力が失われ易くなる。結果として、光学素子１が上型１１０から離型し、下型１２０に残留（付着）し易くなるので、光学素子１の離型性を改善することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る成形型１００によれば、離型を促進させたい上型１１０を下型１２０よりも小さな線膨張係数の材料により形成することで、光学素子１と上型１１０（成形面１１２ａ、１１２ｂ）との境界面に沿って生じる収縮量のズレが相対的に大きくなり、境界面に沿って間隙が生じ易くなる。これにより、光学素子１が上型１１０から離型し、下型１２０に残留（付着）し易くなるので、光学素子１の離型性を改善することができる。

また、本実施形態に係る成形型１００によれば、従来のように、成形型の温度制御の煩雑化、光学素子１の同軸度の低下、鏡筒に対する組込み精度の低下、迷光現象の誘発などの問題を生じることなしに、光学素子１の離型性を改善することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、上下型１１０、１２０を互いに異なる線膨張係数の材料により形成する場合について説明した。しかしながら、本発明は、コア金型１１２、１２２を互いに異なる線膨張係数の材料により形成する場合なども含めて、上下型１１０、１２０のうち、少なくとも成形素材を成形するための成形面が設けられた部分を互いに異なる線膨張係数の材料により形成する場合にも同様に適用可能なものである。

また、上記実施形態では、下型１２０から光学素子１が取出・搬送される場合について説明した。しかしながら、本発明は、上型１１０から光学素子１が取出・搬送される場合についても同様に適用可能なものである。また、光軸が水平となるように配置された左右の型から構成される成形型を用いてプレス成形し、成形された光学素子１を左右いずれかの特定の型から取出・搬送する場合にも同様に適用可能なものである。

また、上記実施形態では、複数の成形素材が配置される場合の成形型１００について説明した。しかしながら、本発明は、単一の成形素材が配置される場合の成形型についても同様に適用可能なものである。

本発明の一実施形態に係る光学素子用成形型を含む光学素子成形装置を示す説明図である。 本実施形態に係る光学素子用成形型の一例を示す説明図である。 本実施形態に係る成形型を用いた場合における光学素子の離型状況を示す説明図である。

符号の説明

１ 光学素子
１０ 上型
２０ 下型

Claims (3)

1. 一対の型からなり、前記一対の型の間に配置された成形素材を加熱して軟化させ、プレス成形するために用いられる光学素子用成形型において、
   前記一対の型は、互いに異なる線膨張係数の材料により形成されたことを特徴とする、光学素子用成形型。
2. 前記一対の型が上型および下型からなり、前記上型は、前記下型よりも小さな線膨張係数の材料により形成されたことを特徴とする、請求項１または２に記載の光学素子用成形型。
3. 成形された光学素子が相対的に小さな線膨張係数の型から離型し、他方の型に残留した状態で取出されることを特徴とする、請求項１または２に記載の光学素子用成形型。

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