JP2011126758A - 光学素子用成形型及びそれを用いた光学素子の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、プレス成形により光学素子を製造する際に、簡素な装置構成で上型及び下型の間隔を規制することができ、光学素子の肉厚調整を容易に行うことができる光学素子用成形型及びそれを用いた光学素子の成形方法を提供する。
【解決手段】対向面が光学素子の成形面とされた一対の上型２及び下型３と、上型２及び下型３がそれぞれ上下の開口から摺動させて挿入される円筒状の胴型４と、を有する光学素子用成形型において、該胴型４の上端部又は下端部に、胴型４と重ね合わせて光学素子の肉厚調整を行う環状の肉厚調整用スペーサー５を配設した光学素子用成形型１。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラスレンズなどの光学素子をプレス成形する光学素子用成形型及びそれを用いた光学素子の成形方法に係り、特に、得られる光学素子の肉厚調整を容易に行うことができる光学素子用成形型及びそれを用いた光学素子の成形方法に関する。

ガラス材料等からなる光学素子成形素材を、加熱により軟化させ、上型及び下型の間でプレス成形して光学素子形状を付与し、これを冷却固化させることからなる光学素子の成形方法が知られている。

この光学素子の成形においては、上型及び下型を胴型内で摺動させることで、形成される光学素子の中心軸を一致させ、偏心精度など高度に要求される形状精度が所定の範囲内となるようにしている。

一方、光学素子の肉厚については、上記胴型を用いて、さらに、上型及び下型の間隔をも規制することにより光学素子の肉厚を調整するプレス成形装置と（特許文献１参照）、中心軸を一致させる胴型とは別の上型及び下型の間隔を規制する胴型を用いて、肉厚を調整するプレス成形装置と（特許文献２参照）、が知られている。

特開２００７−９１５５４号公報 特開２００５−１６２５４７号公報

特許文献１に開示されたタイプのプレス成形装置では、用いる胴型の素材として光学素子の形状精度を高い状態で担保するために超硬合金等の強度の極めて高い材料が用いられており、このとき、上型及び下型の間隔を規制する胴型の高さが大きい場合には、胴型を研磨して高さの調整が行われている。

しかしながら、超硬合金は加工が容易でなく、その研磨には特殊な設備が必要となるため、光学素子の肉厚の調整を迅速、簡便に行うことができず、光学素子の製造にあたっては、ここが律速となり効率向上を妨げる要因となる。

このような加工の困難性を軽減し、容易に光学素子の肉厚を調整することができるように、光学素子の中心軸を一致させる胴型（内胴）は特許文献１のものと同様に設けられるが、上型及び下型の上下位置を規制する部材としては、別の胴型（外胴）を設けることによって達成する光学素子の成形型も用いられるようになってきた。このとき、内胴はその精度を確保するために超硬合金製とするが、外胴はステンレス製とすることで加工を容易にして肉厚調整を簡便に行うことができるようにしている。このとき、外胴をステンレス製とすることは、プレス成形後の冷却時にその収縮性を利用して、光学素子に圧力をかけたまま冷却することを容易にし、面形状の不具合を減じる利点も有するものである。

しかしながら、このように胴型を２つ用いる成形型は、部材点数が多くなってしまい、ステンレス製の外胴を用いているため、繰り返し成形操作を行った場合の部材の寿命が短かった。また、プレス成形に際しては、外胴はプレス手段により上下から押圧されるため傾くことがないが、このとき内胴は上下からの圧力が無いこと、上下型との摺動のためクリアランスを設けていることから傾くことがあり、その内胴の傾きにより光学素子が偏心して形状不具合が生じる場合があった。

そこで、本発明は、上記の事情に対処してなされたものであり、プレス成形により光学素子を製造する際に、簡素な装置構成で上型及び下型の間隔を規制することができ、その際に胴型が傾斜して形状不具合が生じることがなく、さらに、光学素子の肉厚の微調整も容易に行うことができる光学素子用成形型及びそれを用いた光学素子の成形方法を提供することを目的とする。

本発明の光学素子用成形型は、対向面が光学素子の成形面とされた一対の上型及び下型と、上型及び下型がそれぞれ上下の開口から摺動させて挿入される円筒状の胴型と、を有する光学素子用成形型において、該胴型の上端部又は下端部に、胴型と重ね合わせて光学素子の肉厚調整を行う環状の肉厚調整用スペーサーを配設したことを特徴とするものである。

また、本発明の光学素子の成形方法は、本発明の光学素子用成形型に光学素子成形素材を収容し、光学素子用成形型を加熱して該成形型内の光学素子成形素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素子成形素材を、プレス手段を用いて光学素子用成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、光学素子用成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学素子成形素材を固化させる冷却工程と、を有する光学素子の成形方法であって、プレス工程において、光学素子用成形型の胴型の上端部又は下端部に環状の肉厚調整用スペーサーを重ね合わせて光学素子の肉厚調整を行うことを特徴とするものである。

本発明の光学素子用成形型及び光学素子の成形方法によれば、プレス成形により成形する光学素子の肉厚の調整が容易となる。すなわち、量産前の段階において、光学素子の肉厚の微調整を胴型自体の加工をせずに行うことができ、肉厚調整を簡便な操作で行うことができる。

また、一旦量産使用した成形型について、同じ成形型を用いて異なる厚さの光学素子を成形する場合に、肉厚調整用スペーサーを厚さの異なるものへ変更することにより、成形型の有効利用を図ることもできる。

本発明の一実施形態である光学素子用成形型の側断面図である。 図１の肉厚調整用スペーサーの（ａ）平面図及び（ｂ）側断面図を示した図である。 図１の光学素子用成形型を用いて、プレス成形する際の動作を説明する図である。 厚さの異なる肉厚調整用スペーサーを複数枚用意した図である。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。ここで、図１は本発明の一実施形態である光学素子用成形型の側断面図であり、図２は、図１で用いた肉厚調整用スペーサーの（ａ）平面図と（ｂ）その平面図におけるｂ−ｂ側断面図である。

まず、図１に示した光学素子用成形型１は、光学素子成形素材をプレス成形して光学素子とする上型２及び下型３と、これら上型２及び下型３と摺動させて、光学素子の中心軸の位置合わせ及び肉厚の調整を行う円筒状の胴型４と、胴型４と重ね合わせて上型２及び下型３の間隔を調整する肉厚調整用スペーサー５と、を有するものである。

本実施形態において、上型２及び下型３は共に円柱状の胴部を基本形状とする部材であり、これらは円柱状の軸が鉛直方向に揃うように上下に配置され、上型２の下面には上側の光学機能面を形成する成形面２ａが、下型３の上面には下側の光学機能面を形成する成形面３ａが設けられている。この上型２及び下型３は、それぞれ設けられた光学素子の成形面２ａ及び３ａを対向させて一対のものとして用いられる。

また、使用時に、プレス成形に用いるプレス手段との接触面積を多くとることでこれらの型が安定するように、上型２の上端及び下型３の下端にはフランジがそれぞれ設けられていることが好ましい。

胴型４は、中空円筒形状に形成されており、その中空部分は上記した上型２及び下型３の円柱状の胴部が嵌合可能なようになっている。この胴型４は、上型２及び下型３をそれぞれ上下の開口部から摺動させて挿入されるようになっており、プレス成形する際にこれら上型２及び下型３で形成される光学素子の中心軸の位置合わせを行い、上型２及び下型３で形成される光学素子の光学機能面を同軸上に規制するものである。

また、この胴型４は、上型２及び下型３の間隔を規制する部材としても機能するものであり、上型２及び下型３をそれぞれプレス手段で押圧する際に、上型２及び下型３の距離がこの胴型４で直接的又は間接的に規制されるようになっていればよい。具体的には、上型２の上端及び下型３の下端にフランジを設け、胴型４を上下型のフランジ間に挟む形でプレスすることで上型２及び下型３の距離を直接的に規制したり、胴型４を上下のプレス手段に挟みこんでプレス手段間の距離を規制することで、間接的に上型２及び下型３の距離を規制したり、胴型４の上端は上側のプレス手段と、下端は下型３のフランジと接触させたり、する等が挙げられる。

この胴型４は、上記したようにプレス成形時に上型２及び下型３間の距離を規制するが、その際に上下方向から押圧されるため、鉛直方向に対して傾くことがなく、成形する光学素子の形状精度を高めることができる。

次に、肉厚調整用スペーサー５は、胴型４と重ね合わせることで、胴型４が行っている上型２及び下型３で規制する間隔を微調整することができるものであり、胴型４の高さ（有効高さ）に加えて、肉厚調整用スペーサー５の厚みにより、上型２及び下型３の間隔を調整するものである。

この肉厚調整スペーサー５は、プレス成形時には胴型４と一体的に使用するもので、上記で説明した上型２及び下型３の間隔の規制は、胴型４のみで行うものではなく、本発明においては、胴型４とこの肉厚調整スペーサー５により調整されるものである。

また、この肉厚調整用スペーサー５を胴型４に重ね合わせる際には、胴型４の上端部又は下端部に、肉厚調整用スペーサー５の形状に対応した段差４ａを設けることが好ましい。この段差４ａを設けることにより、プレス成形時に肉厚調整用スペーサー５は、この段差４ａに配設されるようになり、この位置が所定の場所に固定されることで、肉厚調整用スペーサー５がずれたりしてプレス成形の操作に悪影響を及ぼさないようにすることができる。

上記した上型２、下型３及び胴型４は、タングステンカーバイド粒子とコバルト金属バインダとの焼結体である超硬合金、タングステンカーバイド粒子の焼結体である超硬、窒化珪素、炭化珪素等のセラミックス等の素材で構成することが好ましく、上型２及び下型３には、成形する光学素子の面形状を転写するための成形面がそれぞれ対向する面に形成されている。図１では、成形型として凹メニスカス形状の光学素子を製造するものを図示したが、光学素子形状はこれに限定されるものではなく、両凸、両凹、平凸、平凹、凸メニスカス形状のいずれのレンズ形状を成形する成形型であっても用いることができる。

なお、肉厚調整用スペーサー５は、上記成形型と同様超硬合金やセラミックス製とすることもできるが、それ以外にも、ステンレス、ニッケル合金（例えば、大同スペシャルメタル株式会社製、商品名：インコネルが挙げられる）等のプレス成形を行う条件で高温時にも高い機械的強度を有しながら、成形型材料よりも加工性に優れた金属を用いることもできる。

ステンレスやニッケル合金製とすると、超硬合金等に比べて加工が容易であるため、光学素子の量産段階に入る前に、肉厚調整用スペーサー５の厚さを研磨等により薄く加工する等の微調整を胴型加工よりも容易に行うことができる。

次に、この光学素子用成形型１を用いた光学素子の成形方法について、図３を参照しながら説明する。

まず、成形型の内部に光学素子成形素材５０を収容し、光学素子用成形型を加熱して、予め所定の温度まで熱して予備加熱を行っておく。次いで、光学素子用成形型をプレス手段６０ｂ上に移動させ下型３をプレス手段６０ｂと接触させるように載置する（図３（ａ））。その後、プレス手段６０ａを押し下げてプレス手段６０ａ及び６０ｂがそれぞれ上型２及び下型３と接触するようにし、さらに加熱させることで、その内部に収容されている光学素子成形素材５０も加熱され、これにより光学素子成形素材が軟化する。

光学素子成形素材は、変形が容易な屈伏点以上に加熱するが、一般的には、軟化点まで温度を上げるとレンズ表面が白濁するので屈伏点（Ａｔ）から軟化点の間の温度に設定する。

この加熱温度は、用いる光学素子成形素材が加圧変形できる温度であればよく、屈伏点と軟化点との中間付近の温度であることが好ましい。プレス手段６０ａ及び６０ｂを所定の温度に設定して、この加熱工程を行うと、上型２及び下型３は、温度が昇温していきプレス手段６０ａ、６０ｂの設定温度と同じ温度にまで加熱される。

上型２及び下型３が加熱され、光学素子成形素材がプレス成形するのに十分な温度となったところで、プレス手段６０ａを下降させプレス手段６０ａ及び６０ｂ間の距離を狭める。これにより、上型２と下型３との距離を狭めて、成形型の内部に収容された光学素子成形素材５０に圧力をかけ変形させることでプレス成形を行う。このとき、上型２及び下型３の間の上下方向の距離は、下型３のフランジ部分の厚さ、胴型４の高さ及び肉厚調整用スペーサー５の厚さにより所定の距離に規制される。

このプレス工程では、上記したように成形型の上下から圧力をかけることで光学素子成形素材５０のプレス成形を行い、これにより光学素子成形素材５０には上型２及び下型３の成形面２ａ及び３ａが転写され、光学素子形状が付与される。

このプレス工程におけるプレス時の圧力は、レンズ成形体の単位面積当たり２．５〜３７．５Ｎ／ｍｍ^２とすることが好ましく、例えば１０〜２０Ｎ／ｍｍ^２とする事が特に好ましい。
ここで言うプレス時の圧力とは、光学素子成形素材に加わる圧力を指す。

そして、このようにプレス工程で光学素子成形素材に光学素子形状を付与した後、光学素子用成形型１を、今度は冷却手段上に移動させ、冷却手段と光学素子用成形型１を接触させて、光学素子用成形型１を冷却することによって、光学素子成形素材の冷却、固化を行う。

この冷却工程においては、成形された光学素子成形素材５０が、歪点以下になるまで冷却することが好ましい。この冷却工程においても、光学素子成形素材５０への加圧は継続して行うことが好ましく、上記歪点以下の温度になるまで加圧を続けることが好ましい。

さらに、この冷却中に、光学素子成形素材の温度がガラス転移点以下になったところで、光学素子成形素材５０に加圧する圧力を変化させることもでき、例えば、光学素子成形素材の温度が、ガラス転移点以上のときにはプレス時の圧力と同じ圧力としておき、ガラス転移点よりも低い温度になってからは圧力を高くして、段階的に加圧するようにしてもよい。

ガラス転移点以上の温度を低圧にするのは、肉厚バラツキを抑えるためであり、それ以下の温度域では押込み量がほとんど無いので増圧しても問題ない。すなわち、光学素子成形素材が硬化状態に近づくガラス転移点（Ｔｇ）付近までは低い圧力で保圧し、ガラス転移点（Ｔｇ）付近からそれ以下の温度となり光学素子成形素材が固化するまで、より高い圧力をかけるものである。このように冷却工程において圧力を継続してかけることにより光学素子の面形状が安定する。

なお、ここで、低い圧力とは９．８Ｎ／ｍｍ^２以下、高い圧力とは９．８Ｎ／ｍｍ^２超である。また、光学素子成形素材が歪点以下となり、固化した後は、さらに２０Ｎ／ｍｍ^２超となるような高い圧力をかけてもよい。このように段階的に圧力を高めることで光学素子の面ワレが生じる等の不具合が生じることを抑制し、形状精度を高めることができる。また、固化した後の圧力としては、ガラス素材にワレが生じる等の不具合が生じない限りはどのような圧力でもよいが、通常、３０Ｎ／ｍｍ^２程度が上限である。上記では２段階又は３段階に圧力を増加させていく例を説明したが、それ以上の多段階として増圧するようにしてもよい。本明細書において、面ワレとは、光学素子が成形型から離型する際に、一部だけが先に離型し、その後に残りが離型した場合に、曲率が不連続な光学面が形成されて非球面形状精度が悪化する不良が生じる離型異常のことを言う。

そして、このように冷却工程が完了した成形型は、さらに冷却させるために、例えば、水冷手段上へ移動させる。この水冷手段による冷却は、冷却工程で冷却された光学素子成形素材をさらに急冷させ、光学素子成形素材を歪点付近の温度から成形型が酸化しない温度である２００℃以下まで冷却させるものである。

なお、ここで用いたプレス手段６０ａ及び６０ｂは、これらの間の距離を狭めることにより成形型の上型２と下型３との距離を狭めることができ、成形型内に収容された光学素子成形素材５０を軟化状態のまま押圧して変形させ、上型２及び下型３の光学形成面形状を光学素子成形素材５０に付与することにより光学素子の成形を行うものである。すなわち、このプレス手段であるプレス手段６０ａは、成形型の加熱状態を維持しながらプレス操作を行うことができるようになっているもので、その内部にはヒータが埋め込まれている。

このプレス手段６０ａ及び６０ｂは、光学素子成形素材をプレスする際に、成形型の外胴５の高さによりプレス手段６０ａ及び６０ｂ間の距離を規制することで、上型２及び下型３の距離を調整するものである。これにより成形される光学素子の厚みが調整される。なお、図３での上型２及び下型３の距離は、実際には、下型のフランジの厚さ、胴型４の有効高さ（胴型４の下端から肉厚調整用スペーサー５の嵌合部４ａまでの高さ）及び肉厚調整用スペーサー５の厚さにより規制されている。

このようにして冷却、固化して得られた光学素子は、その外周部を切削等により所望の径を有する光学素子形状に加工し、さらに、アニール工程等に付されて歪み等を除去する等の後処理を施して最終的な製品とされる。

なお、肉厚調整用スペーサー５は、成形する光学素子が所定の肉厚となるように用いられるものであるが、光学素子の成形にあたって、量産前の段階においては、所定の肉厚から外れてしまっており、再度調整が必要となる場合がある。

その際に、本発明の肉厚調整用スペーサー５として、図４に示したように、厚さの異なる複数の肉厚調整用スペーサー５ａ〜５ｄを用意しておき、この肉厚調整用スペーサーだけを異なる厚さのものに入れ替えて、所定の肉厚のものとするようにすることができる。

また、このように複数の肉厚調整用スペーサーを用意する場合には、それらの単独使用だけではなく、２つ以上の複数枚のスペーサーを組み合わせ重ねて用いるようにすることで、様々な厚さの調整に用いることができるようにしてもよい。

さらに、このように異なる厚さの肉厚調整用スペーサーを用意しておくことは、上記した量産前の肉厚調整だけではなく、例えば、同じ成形型で異なる肉厚の光学素子を成形しようとする場合に、肉厚調整用スペーサーを交換するだけで製造することができ、成形型の有効利用の観点から優れたものでもある。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

（実施例１）
図１の光学素子用成形型を用いて、光学素子の成形を以下の通り行った。

ここで用いた光学素子用成形型１は、タングステンカーバイドからなる超硬合金製のものであり、プレス成形により、直径３６ｍｍ、中心厚さ６．４ｍｍ、周辺厚さ３ｍｍの凸メニスカス形状の光学素子が得られるものである。ここで、上型２は胴部の直径がφ４６ｍｍ、フランジの直径がφ４８ｍｍ、厚みが４ｍｍであり、下型３は胴部の直径がφ４６ｍｍ、フランジの直径がφ５４ｍｍ、厚みが４ｍｍであり、胴型４はその円筒状の内径がφ４６ｍｍで上型及び下型とはクリアランスを２〜５μｍ設け、外径は下端部がφ５４ ｍｍ、上端部がφ６０ｍｍ、高さが４２ｍｍ（その上端外周には肉厚調整用スペーサーとの段差４ａを高さ５ｍｍ、幅４ｍｍで設けている。下端から段差部までの有効高さは ３７ｍｍ）である。また、肉厚調整用スペーサー５はＳＵＳ３１６Ｌ製で、その内径がφ５２ｍｍ、幅が４ｍｍ、厚さが５．２ｍｍの環状のものを用いた。

この成形型の内部に直径φ３４ｍｍ、中心厚さ８．６ｍｍのホウケイ酸ガラスからなる研削研磨により作製した光学素子成形素材を収容した。なお、この光学素子成形素材の歪点は４９５℃、ガラス転移点（Ｔｇ）は５３２℃、屈伏点（Ａｔ）は５７３℃である。

光学素子成形素材を収容した成形型を、５９０℃程度に予備加熱した後、搬送手段により６００℃に加熱されたプレス手段６０ｂ上に搬送して載置すると同時に、プレス手段６０ｂと同じ温度に維持されたプレス手段６０ａを、下降させて上型２に接触させ、上型２、下型３及び光学素子成形素材５０を３００秒間十分に加熱し、昇温させて光学素子成形素材を軟化状態とした。

次に、上型２、下型３及び光学素子成形素材５０が十分に加熱され、プレス手段６０ａ及び６０ｂと同程度の温度（６００℃程度）となったところで、プレス手段６０ａをさらに下降させ、上型２及び下型３により光学素子成形素材５０のプレス成形を行った。成形時の圧力を４Ｎ／ｍｍ^２とし、３００秒程度押圧して押切った。

次に、光学素子用成形型１を搬送手段により冷却手段上に搬送して載置させ、成形型全体を冷却した。この冷却の際にも、光学素子成形素材５０へ６Ｎ／ｍｍ^２の圧力をかけるようにして、光学素子成形素材の歪点以下になるまで冷却した。

光学素子成形素材が歪点以下の温度となったところで、成形型を冷却手段から水冷手段上に搬送させて載置し、光学素子成形素材を室温になるまで冷却した。光学素子成形素材が十分に冷却したところで、成形型から取り出し、中心肉厚６．５ｍｍの光学素子を得た。

次に、用いた肉厚調整用スペーサーを研磨して厚さを５．１ｍｍに加工し、上記と同様のプレス成形により、光学素子を成形した。このとき得られた光学素子は、その中心肉厚が６．４ｍｍとなり、光学素子の肉厚の調整を簡便に行うことができた。

以上に示したように、本発明の光学素子用成形型及びそれを用いた光学素子の成形方法により、光学素子の形状精度を維持したまま、肉厚調整を簡便な操作により行うことができる。その結果、所望の形状の光学素子を容易に得ることができる。

本発明の光学素子の成形方法及び成形装置は、プレス成形による光学素子の製造に用いることができる。

１…光学素子用成形型、２…上型、３…下型、２ａ，３ａ…成形面、４…胴型、５…肉厚調整用スペーサー、５０…光学素子成形素材、６０ａ，６０ｂ…プレス手段

Claims (6)

1. 対向面が光学素子の成形面とされた一対の上型及び下型と、上型及び下型がそれぞれ上下の開口から摺動させて挿入される円筒状の胴型と、を有する光学素子用成形型において、
   該胴型の上端部又は下端部に、胴型と重ね合わせて光学素子の肉厚調整を行う環状の肉厚調整用スペーサーを配設したことを特徴とする光学素子用成形型。
2. 前記胴型の上端部又は下端部に、前記肉厚調整用スペーサーの形状に対応した段差を有することを特徴とする請求項１記載の光学素子用成形型。
3. 前記肉厚調整用スペーサーとして、厚さの異なる複数枚のスペーサーを準備しておき、そのいずれか又はそれらを組み合わせて前記円筒状の胴型と重ね合わせて配設することを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子用成形型。
4. 前記肉厚調整用スペーサーが、ステンレス製であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素子用成形型。
5. 前記肉厚調整用スペーサーが、超硬合金製であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素子用成形型。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載の光学素子用成形型に光学素子成形素材を収容し、前記光学素子用成形型を加熱して該成形型内の光学素子成形素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素子成形素材を、プレス手段を用いて前記光学素子用成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、前記光学素子用成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学素子成形素材を固化させる冷却工程と、を有する光学素子の成形方法であって、
   前記プレス工程において、光学素子用成形型の胴型の上端部又は下端部に環状の肉厚調整用スペーサーを重ね合わせて光学素子の肉厚調整を行うことを特徴とする光学素子の成形方法。

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