JP2011132096A - 光学素子の成形装置及び成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、上下型の偏心精度を良好に維持し、高精度の光学素子を安定して生産することができる光学素子の成形装置を提供する。
【解決手段】上型２、下型３及び胴型４で構成される成形型と、上型２及び胴型４の上端を保持する上型保持部材５と、下型３の下端を保持する下型保持部材６と、上型保持部材５及び下型保持部材６の少なくとも一方を上下動する駆動手段とを備え、成形型内に光学素子成形素材を収容し、該光学素子成形素材を軟化温度以上に加熱した後、上型保持部材５及び下型保持部材６の少なくとも一方を互いに接近する方向に移動して光学素子成形素材を所定形状の光学素子に成形する光学素子の成形装置において、下型３が水平移動可能なように、下型保持部材６が転動体９を介して基台８上に設置されている光学素子の成形装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子の成形装置及び成形方法に係り、特に、成形時の成形型の偏心を防止し、高い形状精度を確保することができる光学素子の成形装置及び成形方法に関する。

現在、小型撮像機器や、光ピックアップなどに用いられる光学素子は、光学的な要求性能が非常に高くなってきており、プレス成形により、かかる要求を満す光学素子を製造するためには、上下型の偏心精度、すなわち、同軸性が良く相対的な傾きが少ないことを、連続プレス工程の間を通じて極めて高く維持することが求められる。この状況下で確実に上下型の接近が連続的に行われなくてはならない。

例えば、ガラス素材を用いて非球面レンズなどの光学素子を製造する方法として、互いに対向する成形面を有する一対の成形型によって、加熱軟化状態とした成形素材をプレス成形し、これらの成形型の成形面を成形素材に転写するプレス成形による光学素子の成形方法が知られている。

このプレス成形を実施するために用いる成形型の成形面の高温劣化を防止し、成形サイクルタイムを短縮化するために、成形型と成形素材とをそれぞれ別々に予熱し、予熱された成形素材を成形型に導入して直ちにプレス成形を行う方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、サイクルタイムを短縮して生産性を維持しつつ、面精度の優れたガラス光学素子の成形をしようとするものである。

また、一対の成形型の一方を、型閉め・型開き方向に直交する方向に摺動可能にし、その摺動抵抗を低減するために、下型と下型支持台との摺動面に潤滑処理を施した成形型が知られている（例えば、特許文献２参照）。この成形型によれば、型閉め時に、下型胴型に挿入される際、下型が水平方向に容易に移動し、上型と同軸状態になるように位置が補正される。そのため、上下型や胴型に無理な力が作用することを防止し、これらの間に摺れやかじりが生ずることを回避しようとするものである。

さらに、第一及び第二の型と、これらが同軸状に挿入される胴型とを有し、第一の型と第一の型保持部材との間に転動部材が配設されたモールドプレス成形型が知られている（例えば、特許文献３参照）。この成形型によれば、第一の型を水平方向に円滑に移動させるようにして、第一及び第二の同軸性を高度に確保して、摺れやかじりが生ずることを回避しようとするものである。

特開平１１−１７１５６４号公報 特開２００６−８３０２６号公報 国際公開第２００８／０５３８６０号パンフレット

しかしながら、特許文献１のような成形方法は、必要な精度の光学素子が得られるように、上下型を同軸状とするための胴型と、これによってガイドされる上下型との摺動面とのクリアランスが狭く設定されている。

このような狭いクリアランスでの摺動を維持して、数百〜数万回もの連続プレスを行うことは一般に困難である。特に、特許文献１に開示されている方法では、型開き状態の成形型を予熱し、予熱状態で型閉めを行うので、その予熱により上下型の保持部材がそれぞれ膨張して変形してしまうため、高温環境下において上下型の同軸性を保持することが一層困難である。

そのため、そこに配置された複数の上型、下型のそれぞれが、正確に中心軸を一致させた状態で接近、密着する状態を、数百〜数万回の連続プレス工程で維持し続けることは極めて困難である。

このプレス成型の型閉め時に、胴型に対して上下型が僅かにでもずれてしまうと、プレス時には大きな荷重が作用するので、擦れやかじりが発生すると、光学素子にかかるべき荷重が胴型、下型間に吸収され、プレス圧力が光学素子に不均一に作用し、偏心精度、面精度、肉厚精度の劣化や、胴型、下型の破損などが生じてしまう。

また、擦れやかじりによって生じた磨耗粉が光学素子に付着すると、光学素子は外観不良ともなる。さらに、こうした擦れやかじりが発生すると、胴型と下型間のクリアランスが所定範囲を超えてしまい、結果として胴型による下型の位置規制が緩くなる。これは、上型と下型の同軸性が失われることを意味し、上型と下型間の水平方向のズレ（ディセンタ）や、上型と下型の相対的な傾き（チルト）が生じる。光学素子において、このようなズレや傾きは、深刻な性能劣化となる。

また、特許文献２のような成形方法では、下型の水平移動を容易にし、胴型と下型の摺れやかじりを防止しているが、プレス成形毎に下型と下型支持部材との摺動面で摺動が繰り返されるため、プレス成形の回数が増加するにつれて、この摺動面が劣化、摩耗し、定期的に潤滑処理を行わなければならない。また、胴型に下型が挿入される際、確かに摺動面への潤滑処理により下型の水平移動は容易になるが、下型と下型支持部材とが面接触しているため、水平移動のための必要な初期モーメントが比較的大きくなり、必ずしも下型の水平移動を円滑に行えないこともある。

また、特許文献３のような成形型を用いた方法は、下型の水平移動が円滑に行うことができ、胴型と下型の摺れやかじりを防止して、成形型の同軸性を高度に確保することができるものであるが、第一の型に転動部材が直接接触しているため、転動部材の高温状態における特性を考慮して材質を選択しなければならないものであった。さらに、第一の型が胴型とのクリアランス以上にずれてしまった場合、かじりを生じることとなってしまい、クリアランスを非常に狭い範囲で厳密に管理しなければならなかった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、上下型の偏心精度を良好に維持し、高精度の光学素子を安定して生産することができる光学素子の成形装置及びこの成形装置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。

本発明の光学素子の成形装置は、上型、下型及び胴型で構成される成形型と、上型及び胴型の上端を保持する上型保持部材と、下型の下端を保持する下型保持部材と、上型保持部材及び下型保持部材の少なくとも一方を上下動する駆動手段とを備え、成形型内に光学素子成形素材を収容し、該光学素子成形素材を軟化温度以上に加熱した後、上型保持部材及び下型保持部材の少なくとも一方を互いに接近する方向に移動して光学素子成形素材を所定形状の光学素子に成形する光学素子の成形装置において、下型が水平移動可能なように、下型保持部材が転動体を介して基台上に設置されている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、本発明の光学素子の成形装置を用いて、成形型上で光学素子成形素材を加熱軟化し、軟化した光学素子成形素材を成形型によりプレス成形して光学素子形状を付与し、光学素子形状が付与された光学素子成形素材を冷却固化させることを特徴とするものである。

本発明の光学素子の製造装置によれば、下型が、転動体を介して基台上に設置されているため、下型の水平方向の移動が微小な初期モーメントによっても円滑になされるようにすることができる。そのため、プレス成形時に、下型と上型の軸芯が一致していなくても、下型が胴型内に挿入される際に、下型が円滑に水平方向に移動して所定の位置に誘導され、容易に上型との同軸性を確保することができる。また、下型が直接転動体に接していないため、転動体が高温状態になるのを抑制することができる。

本発明の一実施形態である光学素子の成形装置の概略構成を示す断面図である。 図１の光学素子の成形装置のプレス成形時の配置を示した図である。 本発明の他の実施形態である光学素子の成形装置の概略構成を示す断面図である。 図３の要部である復帰機構の動作及びその作用を示した図である。

以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。まず、図１は本発明の一実施形態である光学素子の成形装置の概略構成を示した断面図である。

この光学素子の成形装置１は、光学素子成形素材を内部に収容しプレス成形するための上型２、下型３及び胴型４とで構成される成形型を備え、この上型２及び胴型４を保持する上型保持部材５と、下型３を保持する下型保持部材６と、この下型保持部材６を固定した保持部材ホルダ７と、保持部材ホルダ７が載置され、水平移動を制限する側壁を有する基台８と、保持部材ホルダ７と基台８との間に設けられた転動体９と、を有して構成されている。

また、上型保持部材５は上軸１０に、基台８は下軸１１に接続、固定されており、上軸１０は装置上部に固定されて動かないようになっており、下軸１１は図示しない駆動手段により上下移動可能となっており、この下軸１１の上下移動に伴って、基台８を上下移動させることができるようになっている。さらに、上型２及び下型３を加熱するために、上型保持部材５の内部を貫通させて上型２の内部に挿入された上ヒータ１２、下型保持部材６の内部を貫通させて下型３の内部に挿入された下ヒータ１３が設けられている。

ここで、上型２は光学素子の上面を、下型３は光学素子の下面を形成するためのものであり、それぞれ上成形面２ａ、下成形面３ａが設けられている。この上成形面２ａ及び下成形面３ａを対向配置させて一対の成形型として用い、成形しようとする光学素子の形状を光学素子成形素材に転写する。これらの成形面は、例えば、球面又は非球面形状とすることができ、図１には、両凸形状の形成面を示したが、これに限られず、両凹、平凸、平凹、凸メニスカス、凹メニスカス形状のいずれの形状の光学素子を成形する成形型であってもよい。

そして、互いの成形面２ａ，３ａが向き合うようにして上型２及び下型３を配置させた状態で相互に近接させることにより、上型２と下型３との間に供給された成形素材をプレス成形するようにしてある。この成形型はタングステンカーバイド等の超硬合金製のもので形成することが好ましい。

この下型３は、プレス成形時に、胴型４がその内部に下型３の本体を嵌合させるようにして上型２及び下型３の位置合わせを行うようになっており、プレス成形動作がなされる際に、中空円筒状の胴型４の下部側の中空部分に下型３の本体が挿入される（図２参照）。

下型３の本体が胴型４内に挿入されると、上下型２，３のそれぞれに胴型４の内周面が接触することとなり、これによって、上下型２，３の同軸性を確保することができる。このとき、下型３の本体外周面と、胴型４の下部側の内周面とのクリアランスが大きすぎると、上型２と下型３の軸心がずれ、チルトやディセンタなどの偏心不良を招いてしまい、上下型２，３の同軸性を確保するのが困難になる。このため、下型３の本体外周面と、胴型４の下方側内周面とのクリアランスは、要求される光学素子の偏心精度を考慮すると、０．５〜１０μｍとすることが好ましく、１〜５μｍとすることがより好ましい。

図１に示したように、上型２は、胴型４とともに、上型保持部材５に保持されており、下型３は、下型保持部材６に保持されている。これらの保持部材５，６は、成形型と同様にプレス成形時に大きな圧力を受けるが、上型２及び下型３の水平度を維持しながら、繰り返しプレス成形を行うものであるため、いずれもタングステンカーバイド等の超硬合金等の耐熱性、強度等に優れたものとすることが好ましい。

より具体的に構造を説明すると、上型２及び胴型４は、上型保持部材５に固定されているが、上型２は成形面２ａが形成された円柱状の本体と、その本体より径の大きいフランジとが同心状に配された形状となっており、胴型４にはそのフランジ部に対応して内周上部に、内径よりも大きな径を有する段を有し、上型保持部材５の下面に固定するに際して、上型２のフランジが、胴型４の内周に形成された段面と上型保持部材５の下面との間に狭まれて保持されるようになっている。このとき、上型２の円柱状の本体は、胴型４の中空部分に同心状に挿入された状態となっている。そして、上型２は、フランジが狭持された状態で、上型保持部材５に保持、固定されており、水平方向及び軸方向の移動が抑止されている。

また、下型３も上型２と同様に、成形面３ａが形成された円柱状の本体と、この本体より径の大きいフランジとを同軸に配した形状となっており、下型保持部材６に保持されている。

ここで、下型保持部材６は保持部材ホルダ７に固定されており、この保持部材ホルダ７は、基台８により水平方向への移動が規制されるようになっている。基台８による水平方向への移動の規制は、基台８の外周部に側壁８ａを設けて、その側壁８ａの内側に遊嵌状に保持されるように保持部材ホルダ７を収容すればよい。

そして、この保持部材ホルダ７と基台８との間には転動体９が設けられており、この転動体９は、保持部材ホルダ７の水平移動を容易にするものであり、プレス時に上型２及び下型３の同軸性を高めることを容易にするために設けられている。

さらに、基台８は下軸１１に固定されており、この下軸１１は、図示しないサーボモータ、エアーシリンダ等の昇降機構を有する駆動手段に接続され上下移動可能に構成されている。また、上型保持部材５は上軸１０に固定されており、こちらの上軸１０は固定軸となっているため、上型２の位置は上下左右いずれにも移動できないようになっている。

なお、上型保持部材５と下型保持部材６とを別々に駆動手段と接続させて、上下型２，３の両方が各保持部材と共に軸方向に沿って上下動するようにしてもよいし、上記説明とは逆に、上型２を上下移動可能とし、下型３を固定するようにしてもよい。すなわち、上型２及び下型３の少なくとも一方を上下移動可能とすればよい。

これにより、保持部材ホルダ７の軸方向の移動範囲を規制することは、下型３の軸方向の移動範囲を規制することとなり、また、保持部材ホルダ７の外周面と、基台８の側壁の内周面との間に、所定のクリアランスを確保することで、このクリアランスの分だけ、保持部材ホルダ７が水平方向（軸方向に直交する方向）に移動できるようにしてある。

そして、この水平方向への移動は、保持部材ホルダ７が転動体９を介して基台８上に設置されることによりなされ、転動体９は保持部材ホルダ７の下面に接触して設けられた転動可能な部材である。

この転動体９は、直径が均一な球状部材とすることが好ましい。転動体９としては、ベアリング鋼と呼ばれる高炭素高クロム鋼材や、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス、又は炭化タングステン（ＷＣ）等を含むサーメット、その他の金属などの高硬度の素材によって形成された、直径０．１ｍｍ〜５ｍｍの真球状の部材を用いることができる。

これらの素材からなる転動体９は、上記したもののうち１種を用いて構成することが好ましいが、下型３を水平に固定された状態を維持できるものであれば異なる種類の素材からなる複数種を混合して構成してもよい。

なお、転動体９の形状は、真球状のほかに、円柱状、扁平球状などとしてもよいが、転動体９の加工の容易性、高さ（直径）精度の出し易さ、転がり易さの点から、真球状のものが最も好ましい。

本実施形態に係る成形型を用いて、光学ガラスなどの成形素材をプレス成形する際には、成形素材が１０^６〜１０^１２ｄＰａ・ｓの粘度となる温度に相当する温度（４００〜９００℃程度）まで加熱された状態で周期的にプレス成形が繰り返され、かつ、２．５〜３７．５Ｎ／ｍｍ^２の荷重が成形型及び成形素材に加わるものである。

このとき、保持部材ホルダ７と基台８との間に配設された複数の転動体９にも、上記荷重が加わるため、転動体９には、所定の強度が要求される。一般的に圧縮強さは曲げ強さと相関があるため、プレス時の転動体温度における曲げ強さが３００ＭＰａ以上あるセラミックスを用いて転動体９を形成すれば、プレス荷重を受けても変形や摩耗・劣化が生じることはない。逆に、３００ＭＰａ未満のセラミックスや金属を転動体９として用いた場合、転動体９が変形し、円滑な転動作用を奏することができなくなるおそれがある。

この転動体９は、その数が少なすぎると、その配置が偏ってしまった場合などに、下型３を水平に保持できなくなってしまい、逆に、転動体９の数が多すぎると、各転動体９が自由に転動できなくなってしまい、下型３の円滑な水平移動を阻害してしまうことがある。

また、成形型の組み立て性を考慮すると、基台８の底部上面に凹陥部を有する素材を形成しておき、この凹陥部に転動体９が収容されるようにするのが好ましく、このようにすることで、成形型を組み立てる際などに、転動体９が脱落してしまうのを防止することができる。

なお、転動体９を収容して、その脱落を防止するためには、凹陥部は、転動体９を介して対向する保持部材ホルダ７と、基台８との少なくとも一方の面に形成されていればよい。したがって、保持部材ホルダ７の上面に凹陥部を形成する代わりに、保持部材ホルダ７の下面に同様の凹陥部を形成し、この凹陥部に転動体が収容されるようにしてもよい。

なお、本実施形態においては、保持部材ホルダ７が、転動体９を下ヒータ１３や加熱される下型３、下型保持部材６等の高温状態となる部材による熱を伝達しないようにする断熱部材として設けるものであり、これによって転動体９の温度上昇を抑制し、高温プレス成形のような高温高圧力状態の場においても効果的に変形抑制を行うことができ、下型３の水平位置を安定し保持することができる。

このとき、保持部材ホルダ７は、プレスによる高圧力状態に耐える強度を有するものであれば、その素材自体を断熱性の高い材料で構成してもよいが、断熱性の高くない材料で構成しなければならない場合も多く、その際には、保持部材ホルダ７の内部に冷却媒体を流す流路を設けて冷却媒体を流すことで、保持部材ホルダ７自体が高温とならないようにすればよい。ここで、冷却媒体としては、窒素等の気体、冷却水等の液体のいずれも用いることができるが、成形型の酸化による劣化を考慮した場合、窒素等の不活性ガスであることが好ましい。

保持部材ホルダ７に冷却媒体を流通させる場合には、さらに、下型保持部材６にも冷却媒体の流路を設けて冷却するようにしてもよく、さらにこの冷却媒体の流路により下型３を冷却可能とすれば、光学素子の冷却、固化における下型３の冷却を迅速に行うこともでき好ましい。なお、上型２においても、上型保持部材５に冷却媒体の流路を設けて冷却するようにし、さらにこれにより上型２を冷却するようにしてもよい。

このとき、転動体９の温度を２００℃以下に保持するようにすることが好ましく、このとき、断熱性の高い材料としては、セラミックス、ＳＵＳ４１０等の熱伝導率が低い材料が、断熱性の低い材料としてはベアリング鋼等の熱伝導率が高いが高圧力への耐性が良好な材料が挙げられる。

以上のように、本実施形態にあっては、下型３が水平方向に移動可能となるように、下型３が下型保持部材５及び保持部材ホルダ７と一体となっており、この保持部材ホルダ７と基台８との間に複数の転動体９が敷き詰められており、下型３の水平方向への移動が円滑になされるようにすることによって、上下型２，３の同軸性が高度に確保できるようになっている。

すなわち、胴型４は、その水平方向及び軸方向の移動が抑止された状態で上型保持部材５に保持、固定されているため、プレス成形動作が開始され、下型３が上昇して胴型４の下方開口部から胴型４内に挿入される際に、下型３の軸心が、上型２及び胴型４の軸心と一致していなくても、下型３は、胴型４内に挿入されながら水平方向に円滑に移動し、これによって、下型３や胴型４に無理な力が及ぼされることなく、下型３が、上型２及び胴型４と同軸となる位置に誘導されて、上下型２，３の同軸性を高度に確保することができる。

このようにして、上下型２，３の同軸性を高度に確保するにあたり、胴型４の下部側の内周面には、下方に向かってテーパー状に拡径するガイド部４ａを形成しておくのが好ましい。プレス成形動作がなされる際に、このガイド部４ａに、下型３の円柱状の本体部の周縁部が当接するようにすれば、胴型４内への下型３の挿入が妨げられることなく、ガイド部４ａにガイドされながら下型３が胴型４内にスムーズに挿入されるとともに、下型３の水平移動が促される。軸方向に対するガイド部４ａの傾斜角度θは、４５°以下であることが好ましく、３０°以下であることがより好ましく、１０°以下であることがさらに好ましい。

また、下型３は、下型保持部材６を介して保持部材ホルダ７に固定されているため、この保持部材ホルダ７の外周面と、基台８の側壁の内周面とのクリアランスの範囲で水平方向に移動可能となっており、このクリアランスの最大値が、下型３の水平方向における移動量の上限となる。このため、胴部４に形成するガイド部は、その拡径幅Ｗが、上記保持部材ホルダ７の外周面と基台８の側壁の内周面との間のクリアランスよりも大きくなっているのが好ましい。

これにより、下型３の水平方向における軸ずれが最大になっていても、プレス成形動作がなされる際に、下型３の本体の周縁部を胴型４のガイド部４ａに当接させることができ、胴型４内への下型３の挿入や、下型３の水平移動が妨げられないようにすることができる。

なお、この保持部材ホルダ７の外周面と、基台８の側壁の内周面とのクリアランスが小さすぎると、十分な水平移動が阻害されてしまう場合があり、下ヒータ１３の加熱により、下型保持部材６も加熱され、その熱が保持部材ホルダ７にまで伝達すると保持部材ホルダ７が膨張し、その影響でクリアランスが小さくなってしまう可能性も考慮しなければならない。クリアランスが小さくなると位置精度の許容範囲が小さくなり、かじりの発生や型閉め不能になるおそれもある。

逆に、クリアランスが大きすぎると、下型３の許容される移動範囲が過大になることから、プレス成形の際に胴型４が下型３の成形面３ａに接触して、成形面３ａを傷つけてしまったり、プレス成形不能になってしまったりするおそれがある。

これらのことを考慮すると、保持部材ホルダ７の外周面と基台８の側壁の内周面とのクリアランスは、１０〜２００μｍの範囲であることが好ましい。

なお、本実施形態における成形型の加熱は、図１に示したように、上型保持部材５の内部を貫通し、上型２の内部にまで挿入された上ヒータ１２と、下型保持部材６の内部を貫通し、下型３の内部にまで挿入された下ヒータ１３と、を設けて行われるもので、上型２及び下型３が十分に加熱されるようになっている。なお、これらの上下型に挿入されるヒータは、カートリッジヒータであることが好ましい。

ここでは、上ヒータ１２，下ヒータ１３を上下型２，３の内部にまで設けるようにして構成しているが、従来用いられていたように、上型保持部材５、下型保持部材６をヒータで加熱して、その熱伝導により上下型２，３を加熱する構成をとるようにしてもよい。

また、これら上ヒータ１２，下ヒータ１３は、それぞれの加熱温度を個別に調節して管理することができるように構成することが好ましく、その温度管理は熱電対を上型２及び下型３に設け、この熱電対により検出された結果に基づいて温度制御手段により各型の温度制御を行うようにすることが好ましい。このとき熱電対は、カートリッジヒータの先端であって、上下型２，３の成形面に近い場所に設けることが好ましい。

なお、成形型を加熱するヒータとしては、従来用いられている赤外線ランプを設けることが好ましく、赤外線ランプは、赤外線の照射により成形型全体を加熱するために用いられ、通常、この赤外線照射を効率良く行うために、その背後には反射ミラーが設けられ、反射ミラーからの反射した赤外線も成形型の加熱に寄与するようになっている。これら赤外線ランプ及び反射ミラーは、支持部材により、成形型の加熱を十分に行うことができるように胴型３の周囲に配置されるものである。

ここで、さらに、成形型の内部に挿脱自在に設けられた光学素子成形素材を加熱するための成形素材用ヒータを設けることもでき、その場合には、成形型の温度よりも成形素材の温度を高温とすることが容易で、それぞれの温度を個別に管理することができるため、より効率的に光学素子を成形することができる。なお、挿脱は胴型４の側面に開口部を設けて行えばよい。

そして、図１及び図２において、上型２のフランジ部分の高さを胴型４の上面より低くして、上型２の上面と上型保持部材５の下面との間に隙間が形成されるようにしてもよく、このような隙間を形成した場合には、上型２は、この隙間の分だけ胴型４内を軸方向に摺動可能となる。

このときプレス成形動作がなされる間中、胴型４内で上型２が摺動するため、上型２と胴型４との摺動部における水平方向のクリアランスを設ける必要があるが、これは極めて小さく（例えば、片側５μｍ以下、好ましくは片側２μｍ以下）しておくことが好ましい。

上型２の上面と上型保持部材５の下面との間に隙間を設けることにより、下型３が上昇してプレス成形する際には、下型３の成形面３ａ上の成形素材が、上型２の成形面２ａに当接して上型２を押し上げ、これにより、上型２は、上記隙間の分だけ胴型４内を摺動して上型保持部材５の下面に当接し、上型２のフランジと、胴型４の段面との間に隙間が形成される。光学素子の肉厚は、一旦ここで規定されるが、この後、冷却すると、光学素子の熱収縮に追従して上型２がその自重によってわずかに下降し、上下型２，３と光学素子との密着を維持し、上型２による圧力をかけながら冷却を行うことができる。このように冷却時に圧力が抜けないようにすることで、成形される光学素子の形状不良が生じるのを抑制することができる。

次に、本発明の光学素子の成形方法について、本実施形態の光学素子の成形装置を用いて説明する。

成形に先立って、光学素子の成形装置１はチャンバー内に配置され、このチャンバー内は、窒素等の不活性ガスに置換される。置換が完了し、チャンバー内が不活性ガス雰囲気となったところで、成形素材を予熱し、これとは別に上下型２，３も上ヒータ１２，下ヒータ１３、また必要に応じて図示しないランプヒータにより予熱される。ここで、上下型の温度は同一の温度でもよいし、温度差を設けてもよい。温度差を設ける場合には、上下型２，３の温度差を２〜１５℃程度の範囲とすることが好ましい。

上記予熱しておいた成形素材を下型３の成形面３ａ上に供給し、下型３上で十分に加熱した後、プレス成形を行う。下型３が上昇し、上型２との間で成形素材をプレスし、所望の光学素子形状を付与する。プレスのための下型３のストロークは、成形する光学素子の肉厚に基づき、予め設定された値であり、次工程の冷却工程において、成形後の光学素子が熱収縮する分を見込んで定めた量とすることができる。また、プレス成形の速度は、一般に、３〜６００ｍｍ／分であることが望ましい。直径が１５ｍｍ以上のガラスレンズを成形する場合には、３〜８０ｍｍ／分とすることが望ましい。また、プレスの手順は、成形する光学ガラスの形状や大きさに応じて、任意に設定することができる。このとき、プレス時の圧力は２．５〜３７．５Ｎ／ｍｍ^２とすることが好ましく、１０〜２０／ｍｍ^２であることが特に好ましい。

なお、本実施形態の成形装置においては、下型３が、基台８上の転動体９により水平方向に移動可能な状態で下型保持部材６に保持されている。したがって、プレス成形時において、上型２と下型３の間に軸ずれが発生していても、胴型４に下型３が挿入される際に、下型３が水平方向に円滑に移動して、上下型２，３の軸合わせが行われ、この状態でプレスが行われる。

また、下型３は転動体９の転動によって円滑に水平方向に移動可能であるので、プレス成形時に、胴型４のガイド部４ａが下型３の外周縁に片当り状態になっても、胴型４と下型３に無理な応力が作用することなく、下型３が水平方向に移動し、速やかに胴型４に挿入され、上下型が同軸状態となる。よって、胴型４および下型３に擦れやかじりが生ずることなく、下型３が上型２と同軸状態となるように位置補正が行われ、プレス成形を高精度で行うことができる。

成形素材への押圧開始と同時、または押圧開始後に、上下ヒータ１２，１３の加熱を停止し、成形型は冷却される。そして、成形型の温度がガラスの転移点以下になったところで、下型３を下降して離型し、光学素子を搬出可能とする。

また、光学素子の割れや放射傷の発生を防止するために、冷却速度は、冷却開始から離型までの平均値として、５０〜２００℃／分とすることができる。冷却開始の冷却速度は、平均の冷却速度より大きくてもよく、離型温度に近づくに従って冷却速度を下げゆっくり冷却し成形素材の内部に歪が生じないようにすることが好ましい。離型温度は、ガラス転移点Ｔｇ付近以下とすることができるが、一般には、（Ｔｇ−５０℃）〜Ｔｇまでの範囲内の値とすることが好ましい。

次いで、搬出手段によって、下型３上の光学素子を搬送し、チャンバー外へと搬出する。光学素子が搬出されると、上ヒータ１２，下ヒータ１３により再度成形型の加熱を行い、次のプレス成形に備える。以上のような操作を繰り返し行うことにより、効率的に光学素子を製造することができる。

なお、製造する光学ガラスレンズの形状については、特に制限はなく、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズなどの成形を行うことができる。光学素子の大きさについても特に制限はなく、一般に、直径１ｍｍ程度から５０ｍｍ程度のものを成形できる。１ｍｍ以下の場合にはレンズが小さすぎて形状の測定が困難であり、５０ｍｍ以上では成形に時間を要すると共に、成形に必要なプレス圧力が大きくなりすぎて成形装置が大きくなりすぎるからである。さらに、光学ガラスレンズの形状は球面、非球面、あるいはこれらの組み合わせとすることができる。

このような構成とすることで、保持部材ホルダ７と基台８とが、直径が均一な転動体９により点接触により水平移動を円滑に行うことができるようになっており、下型３の水平移動を促進するので、下型を胴型内にスムーズに挿入することができる。なお、転動体９を設ける際に、スラストベアリングと同様に環状の軌道板、転動体および保持器から構成される転動体式荷重受けとして構成し、保持部材ホルダ７と転動体９との間には保持部材ホルダ７が水平方向への移動を規制されないような板状体の部材を設けたものとしてもよい。

このような成形装置を用いて光学素子を成形する際には、上下型を同軸上に位置合わせする工程を省くことができ、サイクルタイムが短縮され生産効率が高く、高精度の光学素子を製造することができる。

さらに、転動体は、下型の水平方向の移動に伴って転動するため、繰り返しプレス成形を行っても摩耗することがほとんどなく耐久性が高く、偏心精度の極めて良好な光学素子の連続生産が可能となる。特に、本実施形態においては、転動体が高温状態にならないような構成としているため、転動体の変形等を有効に防止して、下型の水平位置の確保を確実に行うことができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図３は、本発明の他の実施形態である光学素子の成形装置の概略構成を示した断面図である。

この光学素子の成形装置２１は、光学素子成形素材を内部に収容しプレス成形するための上型２２，下型２３及び胴型２４とで構成される成形型を備え、この上型２２及び胴型２４を保持する上型保持部材２５と、下型２３を保持する下型保持部材２６と、この下型保持部材２６を固定した保持部材ホルダ２７と、保持部材ホルダ２７が載置され、水平移動を制限する側壁を有する基台２８と、保持部材ホルダ２７と基台２８との間に設けられた転動体２９と、を有して構成されている。

また、上型保持部材２５は上軸３０に、基台２８は下軸３１に接続、固定されており、上軸３０は装置上部に固定されて動かないようになっており、下軸３１は図示しない駆動手段により上下移動可能となっており、この下軸３１の上下移動に伴って、基台２８を上下移動させることができるようになっている。さらに、上型２２及び下型２３を加熱するために上型保持部材２５の内部を貫通させて上型２２の内部に挿入された上ヒータ３２、下型保持部材２６の内部を貫通させて下型２３の内部に挿入された下ヒータ３３が設けられており、さらに、下型２３を基準位置に復帰させる復帰手段３４と、から構成されるものである。

ここで、本実施形態は、第１の実施形態とは、復帰手段３４を有する点において異なるものであり、それ以外は共通の構成である。したがって、以下、復帰手段３４について説明する。

本実施形態における復帰手段３４は、下型２３を基準位置に強制的に移動させるものであり、この基準位置は、この成形装置のプレス成形時における上型及び下型の軸の位置である。このように下型２３を基準位置に強制的に移動させるようにすれば、下型２３が大きくずれて、そのままプレス成形したのでは成形型のかじりが発生してしまうような場合でも、そのずれを補正することができるため、成形型のずれによるかじりの発生を効果的に防止することができる。

このようにずれを補正するようにしておけば、保持部材ホルダ２７の外周面と、基台２８の側壁の内周面とのクリアランスを大きくとることができ、下型２３の水平移動が阻害されることがなく、これら部材の製造における精度を数μｍ単位で管理しなくても不具合が生じることを抑制することができる。

この復帰手段３４は、下型２３を基準位置に強制的に移動させることができるものであればよく、図３においては、下型２３が保持されている下型保持部材２６が固定されている保持部材ホルダ２７の位置を移動させることで、間接的に下型２３を基準位置に移動させるようになっている。

このとき、復帰手段３４は、例えば、その径方向（横方向）において、拡縮可能に構成された部材であり、図４（ａ）及び（ｂ）に示したように、保持部材ホルダ２７の下面に復帰手段３４を挿入することができる円柱状の窪み２７ａを形成しておき、これに復帰手段３４を挿入して位置補正を行うものである。

この復帰手段３４の最大径は、縮んだ状態においては、保持部材ホルダ２７の下面の窪み２７ａの径よりも小さくなっており、このとき下型２３は水平移動を十分に行うことができるようになっている（図４（ａ））。一方、復帰手段３４を拡げた状態とすると、その最大径が保持部材ホルダ２７の下面の窪み２７ａの径とほぼ同一となるまで膨らみ、下型２３が基準位置に配置されることとなり（図４（ｂ））、容易に位置を補正することができるようになっている。

このような復帰手段３４としては、例えば、コスメック社製のデータムシリンダ（商品名）が挙げられる。

この復帰手段３４は、一連の光学素子の成形工程が終わった後に行うものであり、光学素子成形素材を冷却固化し、離型させて成形型から取り去った後、次の光学素子の成形を行う前に動作させて、基準位置への復帰をさせるようにすればよい。また、この復帰操作は冷却固化し、成形素材を成形型から取り去る時に動作させて、ロボットハンドが正確に成形素材を把持できる用途に利用できる。

この復帰手段３４による復帰操作を行うことで、下型２３のずれによる成形型のかじりの発生を有効に防止することができ、また、下型２３と基台２８とのクリアランスを厳密に管理しなくてもよくなり、安定して光学素子のプレス成形を行うことができる。

なお、この実施形態においては、転動体２９を設ける際に、転動体を凹陥部で保持する板状の保持器を基台２８側に、転動体による保持部材ホルダ２７の水平方向への移動を妨げない板状体を保持部材ホルダ２７側に、配置して転動体式荷重受けとして構成されている。

次に、具体的な実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。本実施例では、図３に示した光学素子の成形装置を用いて、光学素子の成形を以下の通り行った。

なお、ここで用いた成形型は、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φ４０ｍｍ、中心厚さ７．５ｍｍ、周辺厚さ３ｍｍ、非球面の近時曲率半径がそれぞれ１００ｍｍと８５ｍｍの両凸形状の成形品が得られ、後加工の芯取り加工をすることで直径３５ｍｍの光学素子が得られるものである。また、胴部２４の下部側の内周面に設けられたガイド部２４ａは、傾斜角度θが３０°、拡径幅が１０μｍ、この胴部２４と下型２３とのクリアランスは５μｍである。

下型２３は、同じく超硬合金製の下型保持部材２６に固定され、これがさらにＳＵＳ３０４製の保持部材ホルダ２７に固定されており、保持部材ホルダ２７は、転動体２９を介して基台上に設置されている。ここで用いた転動体は、直径 １２ｍｍの真球状のベアリング鋼からなり、この転動体は、保持部材ホルダ２７との間、基台２８との間にそれぞれ厚さ７ｍｍのＳＵＳ製の金属板が設けられ転動体式荷重受けとして構成されている。このとき、保持部材ホルダ２７と基台２８とのクリアランスは３ｍｍである。

さらに、保持部材ホルダ２７の下面には直径φ２０ｍｍ、深さ１５ｍｍの円柱状の窪み２７ａが形成されており、この窪み２７ａに復帰手段３４が挿入されている。この保持部材ホルダ２７は、さらに、その内部に窒素等の冷却媒体を流通させることができ、断熱部材として機能するようになっている。ここで、復帰手段３４としては、拡径、縮径機能を保有している復帰機構（コスメック社製、商品名：データムシリンダ）を用いた。この復帰手段３４は、保持部材ホルダ２７に挿入された部分の縮径時の最大径が１９．９５ｍｍ、拡径時の最大径が２０ｍｍである。

また、光学素子成形素材を加熱する専用の成形素材用ヒータを設け、これを成形型内に挿脱自在に設けることにより、成形型の温度より成形素材の温度を高温にすることが容易に達成することができるようにしている。ここで用いた成形素材用ヒータは、６０×８０×２０ｍｍのステンレス板の内部に、直径６ｍｍのカートリッジヒータを３本挿入して形成されたものである。

ここで、上ヒータ２２及び下ヒータ２３は、直径８ｍｍのカートリッジヒータの外周を厚さ３ｍｍのステンレス板で覆ったものであり、それぞれヒータの先端が、上型２２及び下型２３の成形面２２ａ及び２３ａから５ｍｍの距離となるように挿入されており、その先端には熱電対が設けられている。

さらに、ランプヒータは、胴型２４の外周に４０ｍｍの間隔を設けて設置されており、胴型２４の内部に制御用熱電対が設けられている。また、ランプヒータは、２ｋＷ×３の設備構成である。

この成形型を５５０℃に予熱しておき、下型２３の成形面２３ａに２００℃に予熱したランタン系ガラスからなる研削研磨により作製した直径φ３６ｍｍ、中心厚み８．８３ｍｍ、周辺厚さ４．３ｍｍ、曲率半径がそれぞれ９０ｍｍと６０ｍｍの両凸球面レンズの光学素子成形素材を載置した。次いで、上ヒータ２２、下ヒータ２３及びランプヒータの出力を上げ成形型を６８０℃に加熱するようにした。なお、この光学素子成形素材の歪点は５８０℃、ガラス転移点（Ｔｇ）は６１６℃、屈伏点（Ａｔ）は６６２℃である。

上記加熱と同時に、駆動手段により光学素子成形素材が載置された下型２３を上方向に移動させて、下型２３を胴型２４に嵌合させ、さらに、成形型内に挿入されている成形素材用ヒータと光学素子成形素材２２との距離が１０ｍｍとなるまで下型２３を上方に移動させた後、一旦上方への移動を停止した。

ここで、成形素材用ヒータの温度を９２０℃とすることにより光学素子成形素材を６９０℃程度に加熱し、十分に加熱したところで、成形素材用ヒータを成形型の外部に移動させた。その後、再度、下型２３を、上方へ移動させ、光学素子成形素材を上型２２及び下型２３により押圧してプレス成形を行った。この成形時のプレス圧力は２０Ｎ／ｍｍ^２、プレス時間は４５秒とした。この時、下型２３の位置が所望のレンズ肉厚７．５ｍｍになる位置となるように位置制御し、所望の位置になったらプレス圧力をゼロにする。

プレス後、上ヒータ３２、下ヒータ３３及びランプヒータの出力を下げ、さらに、上軸３０及び上型保持部材２５に設けられた流路にＮ_２ガスを流通させて上型２２を、下軸１２及び下型保持部材６に設けられた流路にＮ_２ガスを流通させて下型２３を、３０℃／分の一定の冷却速度で冷却する。屈伏点（Ａｔ）とガラス転移点（Ｔｇ）の間の所望の温度で再びプレス圧力を２０Ｎ／ｍｍ^２に上げ、５８０℃になったらプレス圧力がゼロになるようにして、光学素子形状を付与された成形素材を５８０℃まで冷却し、固化させた。

次に、上ヒータ３２、下ヒータ３３及びランプヒータを停止し、上型２２及び下型２３の冷却速度を６０℃／分とすると同時に、駆動手段により下型２３を下降させ、成形素材が５５０℃程度になるまで冷却したところで、成形型から取り出し、光学素子を得た。

上記の動作を繰り返し行って光学素子を連続的に製造し、この成形操作が一回終わる毎に復帰機構３４を動作させ、下型２３を稼働前に設定した軸位置に強制的に移動させた。この光学素子の成形を５００回連続してプレスを行ったところ、全て安定的に高精度に光学素子を製造することができた。

以上のように、本発明の光学素子の成形装置及び成形方法により、下型を胴型に嵌合する際に、下型は転動体により水平移動が可能で、転動体は下型と直接接しておらず高温状態となることがないため、下型が水平方向に傾くことを抑制することができ、高精度の光学素子を形成することができた。

さらに、復帰機構により、連続成形の動作中に、下型の位置を強制的に所定の位置に移動させるようにすることで、保持部材ホルダと基台とのクリアランスを厳密に管理しなくてもよくなり、かつ、かじりを十分に抑制することができた。

本発明は、光学素子成形素材をプレス成形するための成形装置及びそれを用いた成形方法の分野に適用される。

１，２１…光学素子の成形装置、２，２２…上型、３，２３…下型、４，２４…胴型、５，２５…上型保持部材、６，２６…下型保持部材、７，２７…保持部材ホルダ、８，２８…基台、９，２９…転動体、１０，３０…上軸、１１，３１…下軸、１２，３２…上ヒータ、１３，３３…下ヒータ、３４…復帰手段

Claims (8)

1. 上型、下型及び胴型で構成される成形型と、前記上型及び胴型の上端を保持する上型保持部材と、前記下型の下端を保持する下型保持部材と、前記上型保持部材及び下型保持部材の少なくとも一方を上下動する駆動手段を備え、前記成形型内に光学素子成形素材を収容し、該光学素子成形素材を軟化温度以上に加熱した後、前記上型保持部材及び下型保持部材の少なくとも一方を互いに接近する方向に移動して光学素子成形素材を所定形状の光学素子に成形する光学素子の成形装置において、
   前記下型が水平移動可能なように、前記下型保持部材が転動体を介して基台上に設置されていることを特徴とする光学素子の成形装置。
2. 前記下型保持部材と前記転動体との間に、断熱手段を有することを特徴とする請求項１記載の光学素子の成形装置。
3. 前記断熱手段が、その内部に冷却水を循環させてなることを特徴とする請求項２記載の光学素子の成形装置。
4. 前記転動体が、ベアリング鋼であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素子の成形装置。
5. 前記下型を、基準位置に復帰させる復帰機構を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の光学素子の成形装置。
6. 前記復帰機構が、前記下型の保持部材の下側から中空部分に挿入され、該挿入部分が、拡縮可能な部材で構成されることを特徴とする請求項５記載の光学素子の成形装置。
7. 前記転動体を介して対向する前記下型と前記基台の少なくとも一方の面に、前記転動体を収容する凹部を形成した請求項１乃至６のいずれか１項記載の光学素子の成形装置
8. 請求項１乃至７のいずれか１項記載の光学素子の成形装置を用いて、成形型上で光学素子成形素材を加熱軟化し、軟化した光学素子成形素材を前記成形型によりプレス成形して光学素子形状を付与し、光学素子形状を付与された光学素子成形素材を冷却固化させることを特徴とする光学素子の成形方法。

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