JP2009269778A - 光学素子の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子材料の成形の際に加熱処理中の光学素子材料の変形を抑制することができると共に、成形時の形状および外観品位をさらに向上することができる光学素子の成形方法を提供する。
【解決手段】スパイラル状の溝Ｍ１が形成された加熱ドラム６を誘導加熱コイル８により加熱した状態で回転することにより、成形前の光学素子材料１に対して、球形状を良く維持したまま加熱することを可能にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子材料を成形する際に加熱処理する光学素子の成形方法に関するものである。

従来の技術における光学素子の成形方法について、図７を用いて以下に説明する。
図７は従来の光学素子の成形方法の概念を示す構成図である。図７に示すように、例えばガラスなどからなる光学素子材料１３を成形するための成形型を上下に分割し、第１金型１４、第２金型１５として構成し、第１金型１４、第２金型１５間に光学素子材料１３を入れ、加熱された第１および第２金型１４、１５からの熱伝導により、第１および第２金型１４、１５内に封入された光学素子材料１３を加熱することで、高精度な成形を実現しようとするものである。

一般的に、第１および第２金型１４、１５の加熱には、発熱線を用いたヒーターカートリッジなどのヒーターブロック１６と第１および第２金型１４、１５とを接触させて、ヒーターブロック１６から第１および第２金型１４、１５へ伝熱するか、または、誘導加熱により第１および第２金型１４、１５自身を加熱したり、加熱用ランプにより第１および第２金型１４、１５自身を加熱する方法がある。
特開２００７−０９９５２７号公報

しかしながら、上記のような従来の光学素子の成形方法では、前述したいずれの場合にも、金型１４、１５を加熱することにより、伝熱作用で光学素子材料１３を温めることになるため、光学素子材料１３の温度は、金型１４、１５の温度と同温か、または、それ以下となる。さらには、光学素子材料１３と金型１４、１５が接触している部分から加熱されていくため、光学素子材料１３自身にも温度分布ムラが発生することになる。

この時、光学素子材料１３は、その表面は温度が高いが、内部は温度が低い状態になり、光学素子材料１３が大きい場合には、光学素子材料１３の内部温度が成形できる温度（転移点温度）に上がる時には、表面の温度が高くなりすぎて、光学素子材料１３の形状が成形前にすでに屈服点温度（転移点温度より１０〜３０℃高い）に達したり、または、さらに溶融が始まるため局所的に変形したり、温度による光学素子材料１３の伸びが不均一になることにより内部に気泡を巻き込んだり、また、高温による光学素子材料１３表面の改質による白ぐもりなどの外観上の不具合を発生させる。

また、光学素子材料１３が小さい場合でも、図７のような球状の光学素子材料のように、成形による変形量が大きい場合も前記と同様で、金型１４、１５との接触点より溶融が始まるためプレスをするまでの球状の維持も困難になり、さらには、光学素子材料１３は第１金型１４および第２金型１５で固定された状態で、金型１４、１５との接触点より局所的に急加熱されることにより、光学素子材料１３表面を改質させ、微小なクラックを発生させたり、一旦溶融し再凝固することによるガラスの場合特有の脈理といった組成ムラを発生させ、光学特性および外観品位にも悪影響を与えることがある。

一方、前述の特許文献１に開示されているように、光学素子材料１３の温度を均一にするためには、溶融した光学素子材料１３から所定の重量、または、体積を滴下し、誘導加熱により温度を維持する方法もあるが、滴下された時点、および金型等で受けたときの光学素子材料１３の形状を安定させる点に難点がある。

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、光学素子材料の成形の際に加熱処理中の光学素子材料の変形を抑制することができると共に、成形時の形状および外観品位をさらに向上することができる光学素子の成形方法を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光学素子の成形方法は、第１金型と第２金型からなる成形型のそれぞれを接近させるとともに加熱した状態で、前記成形型内に光学素子材料を挿入し、前記成形型内に挿入された前記光学素子材料を前記第１金型と第２金型とで挟み込んで前記光学素子材料を成形する光学素子の成形方法において、前記光学素子材料を前記成形型内に挿入する前に加熱処理し、前記光学素子材料の表面温度が前記光学素子材料の内部温度よりも低い温度の状態で、前記成形型内に光学素子材料を挿入することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の光学素子の成形方法は、請求項１に記載の光学素子の成形方法であって、前記成形型内に挿入する前の前記加熱処理は、所定の温度に加熱した加熱ドラムを回転させた中を、前記光学素子材料を転がしながら移動させ、その間に前記光学素子材料を加熱することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の光学素子の成形方法は、請求項２に記載の光学素子の成形方法であって、前記加熱ドラムの外周部に誘導加熱コイルを巻き、その誘導加熱コイルによって前記加熱ドラムを加熱することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の光学素子の成形方法は、請求項２に記載の光学素子の成形方法であって、前記加熱ドラムの内壁の周方向にスパイラル状の溝を形成し、前記光学素子材料を前記溝に沿って転がらせることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に記載の光学素子の成形方法は、請求項４に記載の光学素子の成形方法であって、前記溝の底面および側面の少なくとも一方に微小な突起を設けて、前記光学素子材料が前記加熱ドラムの内壁に融着しないようにすることを特徴とする。

また、本発明の請求項６に記載の光学素子の成形方法は、請求項３に記載の光学素子の成形方法であって、前記加熱ドラムに複数の誘導加熱コイルを巻き、前記誘導加熱コイルによる誘導加熱を制御して、前記加熱ドラムの長手方向の温度分布を変えることを特徴とする。

また、本発明の請求項７に記載の光学素子の成形方法は、請求項６に記載の光学素子の成形方法であって、前記加熱ドラムの前記温度分布として、前記加熱ドラムにおける前記光学素子材料の取り出し口側を、前記加熱ドラムの中心部よりも温度を低く設定して、前記光学素子材料の中心部を表面部よりも温度を高く設定することを特徴とする。

また、本発明の請求項８に記載の光学素子の成形方法は、請求項２に記載の光学素子の成形方法であって、前記所定の温度に加熱された前記光学素子材料を取り出すために、前記光学素子材料を転がしながら、一定時間前記加熱ドラム内を通過させることを特徴とする。

また、本発明の請求項９に記載の光学素子は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の光学素子の成形方法で光学素子材料を成形したことを特徴とする。

以上のように本発明によれば、スパイラル状の溝が形成された加熱ドラムを誘導加熱により加熱した状態で回転することにより、成形前の光学素子材料に対して、球形状を良く維持したまま加熱することができる。

その結果、光学素子材料の成形の際に加熱処理中の光学素子材料の変形を抑制することができると共に、成形時の形状および外観品位をさらに向上することができる。

以下、本発明の実施の形態を示す光学素子の成形方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施の形態の光学素子の成形方法について説明する前に、まず始めに本実施の形態で用いられる光学素子材料の成形装置を説明する。

図１は本実施の形態の光学素子の成形方法で用いられる光学素子材料の成形装置の概念を示す構成図である。ここで用いられる光学素子材料の成形装置は、図１に示すように、光学素子材料１（以降、硝材１と表記）を封入し、所定の形状に成形するために形状加工が施されている第１金型２と第２金型３とから構成される。

第１金型２および第２金型３は、それぞれに接するヒーターブロック４からの伝熱作用により加熱され、さらに、加熱部５で所定の温度（転移点温度以上）に加熱された硝材１を第１金型２と第２金型３の間に投入し、第１金型２と第２金型３からの伝熱により再加熱、または冷却し、第１金型２と第２金型３の距離を接近させながら加圧力をかけて硝材１をつぶしかつ冷却することにより、所定の形状に成形する。

この時、硝材１は、球状または転がることが可能な形状であることが望ましい。また、硝材１のつぶし方については、加圧力をかけてつぶして所定の形状に成形してから冷却する方法でも、硝材１の温度＞金型温度に設定することにより、冷却しながら加圧力をかけて成形する方法でもよい。

この時、ヒーターブロック４は、発熱線を用いたヒーターカートリッジや、誘導加熱によるカートリッジでも構わない。
次に、加熱部５による硝材１の加熱方法について、図２を用いて説明する。

図２は本実施の形態の光学素子の成形方法における加熱部の構造例を示す構成概念図であり、中央の図は加熱部を加熱ドラムの回転軸に対して垂直方向から見た場合の断面構造を示し、左側の図は中央に示す加熱部を図面に向かって左側から見た場合の構造を示し、右側の図は中央に示す加熱部を図面に向かって右側から見た場合の構造を示す。

図１に示す加熱部５は、図２に示すように、硝材１を均一に加熱するための加熱ドラム６と、加熱ドラム６の温度を測定する温度センサ７と、加熱ドラム６を所定の温度に加熱するための誘導加熱コイル８と、加熱ドラム６を回転するための駆動部９と、加熱ドラム６の支持部であるガイドローラ１０とにより構成されている。

駆動部９には、モータ等により、前記加熱ドラム６が所定の回転数で回転できるように制御装置が付属する。ガイドローラ１０は、加熱ドラム６の回転軸Ｊ１がずれないように規制するものであり、加熱ドラム６が高温になることを考慮して、断熱材などを用いる方がよい。

加熱ドラム６の内壁側には、その周方向にスパイラル状の溝Ｍ１が設けられている。前記スパイラル状の溝Ｍ１は、加熱による硝材１の膨張を考慮し、球状の硝材半径と同じか、少し大きくとる方がよく、円弧状の断面を持つ方がよい。硝材１の径を直径２〜３ｍｍとすれば、半径Ｒが２ｍｍぐらいとするのが良い。また、加熱ドラム６については、内径は、供給される硝材１の直径の１０〜２０倍ぐらいが目安である。

次に、球状硝材１を、加熱ドラム６の投入口に供給すると、加熱ドラム６を回転させることにより、硝材１は前記スパイラル状の溝Ｍ１に沿って、硝材１自身が回転しながら、加熱ドラム６内を進行する。この時、硝材１の加熱条件は、加熱ドラム６の温度と、加熱ドラム６の回転数、および加熱ドラム６内のスパイラル状の溝Ｍ１のリードにより決定される。

しかし、加熱ドラム６内の溝Ｍ１については、球状硝材１を十分に加熱するだけの時間があればよく、加熱ドラム６内を通過する時間として、１〜２分ぐらいを目安とした溝Ｍ１のリードと加熱ドラム６の回転数を設定すればよい。硝材１と加熱ドラム６が融着するのを防ぐため、加熱ドラム６の回転数を大きく、かつ溝Ｍ１のリードを多くする方が好ましい。

さらに、この時、前記スパイラル状の溝Ｍ１の底面に凸凹、かつ、または、砂地状にすることにより、硝材１の回転を促進し、かつ、硝材１と加熱ドラム６が融着することを防ぐことも可能である。硝材１を回転させることにより、加熱ドラム６からの硝材１への伝熱を、硝材１表面に均等に与えることができ、通過する時間を長くとれば、硝材１内部まで加熱を浸透できる。

次に、加熱ドラム６を均一に加熱する方法を説明する。
加熱ドラム６は、磁性体のステンレス鋼、または図４のように磁性特性を持った膜１２を溶射、または、コーティングした非磁性ステンレス鋼やセラミックを用いることにより、硝材１の融着を防ぐと共に熱伝導性のよい材料を選択することにより、加熱ドラム６の周方向の温度分布ムラを防ぐことができる。

さらに、図２に示すように、誘導加熱コイル８を加熱ドラム６の外周に非接触で巻くことにより、加熱ドラム６を加熱し、円周上に均一な温度分布を得ることができる。この時、誘導加熱コイル８としては、銅の細管を巻くか、冷却水および断熱材を内周に配置し、その上にコイル線を数重に巻くことにより、少ないパワーで磁性材料からなる加熱ドラム６を効率よく加熱することができる。

誘導加熱コイル８は、温度センサ７で、加熱ドラム６表面の温度を計測することにより、加熱ドラム６を所定の温度に制御する制御回路も付属する。温度センサ７は、遠赤外線等の計測による非接触式が望ましいが、熱電対等の接触式でも測定可能である。

また、図２のように、加熱ドラム６を回転させるための駆動部９が必要となることから、回転による振動、および加熱による加熱ドラム６自体の膨張も考えられるが、誘導加熱コイル８による非接触加熱のため、回転軸Ｊ１がずれても、同じパワーを投入できるという利点がある。

また、加熱ドラム６自体が膨張して変形することを考慮し、図４に示すように、スパイラル状の溝Ｍ１が掘ってある加熱ドラム６の部分を磁性材料とし、その加熱ドラム６の外周面全体を断熱材１２により巻いて覆うことにより、加熱部５自体への熱伝導を抑えることも可能である。

さらに、誘導加熱コイルを、図３に示す誘導加熱コイル８と誘導加熱コイル１１のように、２個以上配置することにより、加熱ドラム６の回転軸Ｊ１方向（長手方向）に温度分布を任意に設定することができる。この時、複数の誘導加熱コイル８、１１間での電磁障害を抑制するために、コイル間に銅板あるいはフェライトを用いて形成した鍔を配置した方が好ましい。

次に、加熱プロファイルの実施の形態を、図５を用いて説明する。
図５は本実施の形態の光学素子の成形方法における加熱プロファイルの説明図である。図５に示すように、常温状態の球状硝材１が加熱ドラム６に投入されることにより、硝材１の表面より加熱されていく。このとき、加熱ドラム６は硝材１のガラス転移点（Ｔｇ点）温度より５〜１０℃ぐらい高めに設定しておく。ガラス転移点については、硝材１の材質により異なるが、５００〜６００℃のものが多い。設定温度については、成形状態により、この限りではない。

硝材１投入後、硝材１は、加熱ドラム６内を転がりながら、加熱ドラム６に接する硝材表面の温度が先に上昇し、遅れて、硝材内部の温度が上昇し、所定の時間を加熱することにより、硝材１の温度を均一に設定することができる。このとき、加熱時間は硝材１の大きさおよび材質によって決定されるが、直径３ｍｍ程度の球状硝材１であれば、１〜２分程度である。このとき、加熱ドラム６は回転しているため、転移点を超した温度設定でも球状の形状を維持することができる。

また、加熱ドラム６と投入された硝材１との温度差が大きいが、加熱ドラム６が回転することにより、硝材１の特定箇所を急激に加熱することがなく、硝材１の表面を均等に加熱するため、硝材１表面に微小なクラックも発生することがなくなるという利点もある。

さらには、加熱ドラム６に硝材１を複数個投入し、加熱することも可能である。
この加熱ドラム６で加熱された硝材１を成形するとき、成形型の温度＜硝材温度の関係を実現することができ、成形型で冷却しながら、プレス成形することができ、硝材１の熱を成形型で吸熱しながら成形することにより、成形時間を短縮することも可能である。

また、複数の誘導加熱コイル８、１１を用いた場合の加熱プロファイルの実施の形態を、図６を用いて説明する。
図６は本実施の形態の光学素子の成形方法における他の加熱プロファイルの説明図である。図５のように硝材１の表面および内部の温度が均一になった後、図６に示すように、加熱ドラム６の出口付近を別の誘導加熱コイルによりＴｇ点より数℃低い温度に設定しておくことにより、硝材１の内部の任意箇所において、硝材温度について、表面温度＜内部温度とすることが可能になる。

さらに、第１金型２と第２金型３の間に、前記の表面温度＜内部温度となった硝材１を投入し、所定の温度（Ｔｇ点以下、または、硝材内部温度と近傍の温度）に制御された第１金型２と第２金型３で冷却かつ加圧されながら成形されることにより、硝材１表面部の局所的変形を防ぎ、かつ温度による硝材１の伸びが不均一になることによる気泡の巻き込みを防ぎ、高精度の成形が可能となる。

さらに、成形前の硝材形状を維持することができ、かつ、硝材中心部が熱いため、成形時のプレス時間も短縮することが可能となる。
また、金型２、３との接触点より局所的に急加熱されることがないため、光学素子材料１表面を改質させて微小なクラックを発生させたり、一旦溶融し局所的に再凝固することにより、光学素子材料１がガラスの場合に特有の脈理といった組成ムラを発生させ、光学特性および外観品位にも与える悪影響を防ぐことができる。

なお、加圧時に、前記例では、硝材１を第１金型２と第２金型３の間で冷却していたが、硝材１の種類および成形による変形量の大小によっては、第１金型２および第２金型３を加熱しながら加圧成形してもよい。

本発明の光学素子の成形方法は、光学素子材料の成形の際に加熱処理中の光学素子材料の変形を抑制することができると共に、成形時の形状および外観品位をさらに向上することができるもので、光学機器等に使用されるガラスレンズなどの成形技術に適用できる。

本発明の実施の形態の光学素子の成形方法の概念を示す構成図 同実施の形態の光学素子の成形方法における加熱部の構造例を示す構成概念図 同実施の形態の光学素子の成形方法における加熱部の他の構造例を示す構成概念図 同実施の形態の光学素子の成形方法における加熱部のさらに他の構造例を示す構成概念図 同実施の形態の光学素子の成形方法における加熱プロファイルの説明図 同実施の形態の光学素子の成形方法における他の加熱プロファイルの説明図 従来の光学素子の成形方法の概念を示す構成図

符号の説明

１ （球状の）光学素子材料（硝材）
２ 第１金型
３ 第２金型
４ ヒーターブロック
５ 加熱部
６ 加熱ドラム
７ 温度センサ
８、１１ 誘導加熱コイル
９ 駆動部
１０ ガイドローラ
１２ 断熱材
Ｊ１ （加熱ドラムの）回転軸
Ｍ１ （スパイラル状の）溝

Claims (9)

1. 第１金型と第２金型からなる成形型のそれぞれを接近させるとともに加熱した状態で、前記成形型内に光学素子材料を挿入し、前記成形型内に挿入された前記光学素子材料を前記第１金型と第２金型とで挟み込んで前記光学素子材料を成形する光学素子の成形方法において、
   前記光学素子材料を前記成形型内に挿入する前に加熱処理し、前記光学素子材料の表面温度が前記光学素子材料の内部温度よりも低い温度の状態で、前記成形型内に光学素子材料を挿入することを特徴とする光学素子の成形方法。
2. 請求項１に記載の光学素子の成形方法であって、
   前記成形型内に挿入する前の前記加熱処理は、
   所定の温度に加熱した加熱ドラムを回転させた中を、前記光学素子材料を転がしながら移動させ、その間に前記光学素子材料を加熱する
   ことを特徴とする光学素子の成形方法。
3. 請求項２に記載の光学素子の成形方法であって、
   前記加熱ドラムの外周部に誘導加熱コイルを巻き、その誘導加熱コイルによって前記加熱ドラムを加熱する
   ことを特徴とする光学素子の成形方法。
4. 請求項２に記載の光学素子の成形方法であって、
   前記加熱ドラムの内壁の周方向にスパイラル状の溝を形成し、前記光学素子材料を前記溝に沿って転がらせる
   ことを特徴とする光学素子の成形方法。
5. 請求項４に記載の光学素子の成形方法であって、
   前記溝の底面および側面の少なくとも一方に微小な突起を設けて、
   前記光学素子材料が前記加熱ドラムの内壁に融着しないようにする
   ことを特徴とする光学素子の成形方法。
6. 請求項３に記載の光学素子の成形方法であって、
   前記加熱ドラムに複数の誘導加熱コイルを巻き、
   前記誘導加熱コイルによる誘導加熱を制御して、前記加熱ドラムの長手方向の温度分布を変える
   ことを特徴とする光学素子の成形方法。
7. 請求項６に記載の光学素子の成形方法であって、
   前記加熱ドラムの前記温度分布として、
   前記加熱ドラムにおける前記光学素子材料の取り出し口側を、前記加熱ドラムの中心部よりも温度を低く設定して、前記光学素子材料の中心部を表面部よりも温度を高く設定する
   ことを特徴とする光学素子の成形方法。
8. 請求項２に記載の光学素子の成形方法であって、
   前記所定の温度に加熱された前記光学素子材料を取り出すために、
   前記光学素子材料を転がしながら、一定時間前記加熱ドラム内を通過させる
   ことを特徴とする光学素子の成形方法。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の光学素子の成形方法で光学素子材料を成形したことを特徴とする光学素子。

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