JP2011144085A - 光学素子の成形装置及び光学素子の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子の製造コストを抑制できる光学素子の成形装置及び光学素子の成形方法を提供する。
【解決手段】上型１１及び下型１２から構成される成形型内に光学素子成形素材２を裁置し、光学素子成形素材２を軟化点以上の温度に加熱した後、光学素子成形素材２を所定形状の光学素子にプレス成形する光学素子の成形装置において、成形型内へ光学素子成形素材２を裁置し、所定形状にプレス成形された光学素子を成形型内から取り出す搬送手段４１と、成形型を収容する筺体３０と、筺体内３０を真空引きする真空引き手段５０ｃと、筺体３０内へ不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段６０と、真空引き手段および前記不活性ガス導入手段を制御する制御手段１Ｃとを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラスレンズなどの光学素子成形素材をプレス成形する光学素子の成形装置及びそれを用いた光学素子の製造方法に係り、特に、光学素子を効率良く生産できる光学素子の成形装置及びそれを用いた光学素子の成形方法に関する。

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、光学素子成形素材を加熱軟化させ、この軟化した成形素材に加圧しながら成形型の成形面形状を転写するプレス成形を行い、プレス成形された成形素材を、冷却、固化することで製造されている。

このプレス成形には、例えば、上型及び下型から構成される一対の成形型を備えており、これら一対の成形型の一方を相対的に移動させる成形型固定式の装置により行われており、その際に、光学素子成形素材の加熱は、成形型や胴型の周囲に配置した赤外線ランプや成形型を保持するプレス軸の内部に埋め込んだヒータ等により行っている。

このようなプレス成形においては、成形型の酸化を防止するため、成形型を含むプレス成形機構を、不活性ガスである窒素ガスで置換した成形チャンバー内に配置したものが知られている（特許文献１参照）。

特開平５−１８６２３１号公報

しかしながら、従来のプレス成形装置は、成形チャンバー内の空気を真空引きするためのポンプを備えておらず、成形チャンバー内の空気を窒素ガスと置換する際に、成形チャンバー内の空気を真空ポンプにより排気しつつ、成形チャンバー内へ窒素ガスを導入することができない。このため成形チャンバー内の空気を、効率良く窒素ガスと置換することができず、置換に必要な時間が非常に長くなるという問題がある。また、成形チャンバー内の空気を真空ポンプにより排気できないため、成形チャンバー内もしくは入れ替えチャンバー内の空気を窒素ガスと置換するために大量の窒素ガスを導入する必要があり、ランニングコストが高くなるという問題がある。結果、このような装置では、光学素子の製造コストが高いものとなってしまう。

本発明は、上記の事情に対処してなされたものであり、光学素子の製造コストを抑制できる光学素子の成形装置及び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、上型及び下型から構成される成形型内に光学素子成形素材を裁置し、該光学素子成形素材を軟化点以上の温度にまで加熱した後、光学素子成形素材を所定形状の光学素子にプレス成形する光学素子の成形装置において、成形型内へ光学素子成形素材を裁置し、所定形状にプレス成形された光学素子を成形型内から取り出す搬送手段と、成形型を収容する筺体と、筺体内を真空引きする真空引き手段と、筺体内へ不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段と、真空引き手段および不活性ガス導入手段を制御して、筺体内を真空引きした後、不活性ガスを導入して、筺体内を不活性ガスに置換する制御手段と、を具備することを特徴とする。

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、上型及び下型から構成される成形型内に光学素子成形素材を裁置し、該光学素子成形素材を軟化点以上の温度にまで加熱した後、光学素子成形素材を所定形状の光学素子に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光学素子の成形方法であって、成形型を収容する筺体内を真空引きする工程と、真空引きされた筺体内へ不活性ガスを導入する工程と、を具備することを特徴とする。

本発明の光学素子の成形装置及び光学素子の成形方法によれば、光学素子の製造コストを抑制できる光学素子の成形装置及び光学素子の成形方法を提供できる。

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側断面図である。 図１の光学素子の成形装置のプレス成形時における動作を示した図である。 実施例における光学素子の成形の温度と時間の関係を示した図である。

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。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す側断面図であり、図２は、図１で表わした成形型及び成形素材用ヒータのプレス成形時における動作を示した図である。図３は、光学素子の成形プロセスにおける温度と時間の関係を示した図である。

光学素子用の成形装置１は、光学素子成形素材２をプレス成形する装置である。光学素子の成形装置１は、主に二つの装置、光学素子成形素材をプレスして光学素子を形成するプレス成形装置１Ａ、プレス成形装置１Ａに対し、光学素子成形素材もしくは光学素子を搬送する搬送装置１Ｂ、およびプレス成形装置１Ａと搬送装置１Ｂを制御する制御装置１Ｃから構成される。

プレス成形装置１Ａは、上型１１、下型１２、胴型１３、ストッパ１４、成形素材用ヒータ１５、上断熱部材１６、下断熱部材１７、上軸１８、下軸１９、上ヒータ２０、下ヒータ２１、ランプヒータ２２、調芯機構２３、上フレーム２４、下フレーム２５、支持部材２６、ガイド柱２７、ベースフレーム２８、駆動機構２９などを備える。

上型１１は、プレス成形により光学素子の上面を成形する。下型１２は、プレス成形により光学素子の下面を成形する。上型１１及び下型１２は、それぞれ円柱状の胴部を基本形状とする部材である。上型１１及び下型１２は、それぞれ中心部に上ヒータ２０及び下ヒータ２１を挿入するための孔を有する。

上型１１は、上断熱部材１６を介して上軸１８に取り付けられている。上断熱部材１６は、断熱機能を有し、上型１１の熱が上軸１８へ伝達するのを抑制する。上軸１８は、上フレーム２４に取り付けられた固定軸である。上フレーム２４は、略四角形状を有し、それぞれ個別に四隅を四本のガイド柱２７に固定されている。

上断熱部材１６及び上軸１８は、各々の中心部に、上ヒータ２０が貫通する孔を有する。また、図１では図示を省略しているが、上断熱部材１６及び上軸１８は、各々冷却用Ｎ_２を上型１１へ導入する導入経路を有する。上ヒータ２０は、上断熱部材１６及び上軸１８を貫通し、上型１１の内部にまで挿入され上型１１を直接加熱する。

下型１２は、使用時における安定性を向上させるため下型１２の下端にフランジ１２ｂ（鍔）を有する。また、上型１１には光学素子の上面を成形する上成形面１１ａが、下型１２には光学素子の下面を成形する下成形面１２ａが成形されている。上型１１及び下型１２は、上成形面１１ａと下成形面１２ａとを対向させて一組の成形型として使用される。

下型１２は、下断熱部材１７を介して下軸１９に取り付けられている。下断熱部材１７は、断熱機能を有し、下型１２の熱が下軸１９へ伝達するのを抑制する。下断熱部材１７及び下軸１９は、各々の中心部に、下ヒータ２１が貫通する孔を有する。また、図１では図示を省略しているが、下断熱部材１７及び下軸１９は、各々冷却用Ｎ_２を下型１２へ導入する導入経路を有する。下ヒータ２１は、下断熱部材１７及び下軸１９を貫通し、下型１２の内部にまで挿入され下型１２を直接加熱する。なお、下軸１９は、調芯機構２３上に配置されているため、上型１１と下型１２とが摺動される際に、自動的に調芯される。

胴型１３は、上断熱部材１６に取り付けられた円筒形状の部材であり、上型１１と下型１２とを摺動させて上型１１と下型１２の中心軸を位置合わせする。ストッパ１４は、下型１２のフランジ１２ｂ上に配設され、上型１１と下型１２の上下方向の距離を規制する。成形素材用ヒータ１５は、カートリッジヒータを挿入した金属板であり、このカートリッジヒータに熱せられた金属板の輻射熱により光学素子成形素材２を加熱する。

ランプヒータ２２は、赤外線ランプ２２ａ、その背後に配置された反射ミラー２２ｂ、赤外線ランプ２２ａ及び反射ミラー２２ｂを支持するための支持部材２２ｃから構成され、支持部材２６に取り付けられる。赤外線ランプ２２ａ及び反射ミラー２２ｂは、それぞれ、半円弧状の部品を２つ組み合わせてリング状にしたものを複数段積み重ねて構成されており、全体として円筒形の形状を有し、胴型１３を取り囲むようにして取り付けられている。胴型１３は、赤外線ランプ２２ａから放射される赤外線により加熱される。

支持部材２６は、略四角形状を有し、その四隅に支持固定ブッシュ２６ａを備えている。支持部材２６は、この支持固定ブッシュ２６ａによりそれぞれ個別に四隅を四本のガイド柱２７に固定されている。

なお、上型１１、下型１２及び胴型１３には、温度測定用の熱電対がそれぞれ取り付けられ、制御装置１Ｃに接続されている。制御装置１Ｃには、温度制御プログラムが入力されており、上記熱電対で測定される温度に応じて上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２の出力をそれぞれ個別に制御する。

調芯機構２３は、下フレーム２５上に取り付けられている。調芯機構２３は、転動体式荷重受け２３ａと、この転動体式荷重受け２３ａを保持する基台２３ｂとを備える。転動体式荷重受け２３ａは、環状の軌道板、転動体および保持器から構成され、下軸１９を水平移動できるようになっている。この下軸１９が水平移動すると、下軸１９と一体的に形成された下断熱部材１７及び下型１２も下軸１９と共に水平移動する。このため、下型１２が胴型１３に挿入、嵌合するさいに、微小な位置合わせを容易に行うことができるようになっている。転動体は、ベアリング等で使用される鋼球を使用してもよい。

駆動機構２９（この実施形態では、スクリュージャッキ）は、サーボモータを駆動源としサーボモータの回転運動を直線運動推力に変換して、移動軸２９ａを上下動させる。駆動機構２９は、移動軸２９ａの上端が下フレーム２５の下面に当接した状態でベースフレーム２８に取り付けられている。

移動軸２９ａは、制御装置１Ｃに入力されたプログラムにより、速度、位置及び軸荷重が制御され、上下方向に駆動される。このため、移動軸２９ａの上下動に伴い、下フレーム２５も上下動し、さらに、下フレーム２５に間接的に固定されている下型１２も上下動する。

下フレーム２５は、略四角形状を有し、その四隅に可動ブッシュ２５ａを備えている。下フレーム２５は、この可動ブッシュ２５ａにより、その四隅をそれぞれ個別に四本のガイド柱２７に上下方向に移動可能に支持されており、後述する駆動機構２９の上下動により該ガイド柱２７を摺動して上下動する。

四本のガイド柱２７は、ベースフレーム２８に立設されており、各々の中心部にガイド柱２７を冷却する熱交換媒体の流路を有する。各ガイド柱２７の流路は、図示しない熱交換装置に接続されており、流路内には、熱交換装置から供給される熱交換媒体（例えば、水やエチレングリコール等）が循環する。流路内を循環する熱交換媒体は、熱交換装置により一定の温度に温調される。

チャンバー３０は、主成分がＦｅ、厚みが１０ｍｍ程度からなる箱型の筺体であり、駆動機構２９を除く、プレス成形装置１Ａを収容する。チャンバー３０には、不活性ガスである窒素ガスを導入するガス配管６０が、バルブ６０ｃ,６０ｄを介して接続されている。バルブ６０ｃがＯｐｅｎ（開状態）の場合、略１００Ｌ／分（毎分１００リッター）の流量で窒素ガスがチャンバー３０に導入される。また、バルブ６０ｄがＯｐｅｎ（開状態）の場合、略３０Ｌ／分（毎分３０リッター）の流量で窒素ガスがチャンバー３０に導入される。なお、チャンバー３０に導入される窒素ガスのガス流量は、それぞれ（図示しない）流量制御バルブ（ニードルバルブ等）により制御される。

バルブ６０ｃは、チャンバー３０内を窒素ガスに置換する際に使用される（開状態となる）。バルブ６０ｄは、チャンバー３０内を窒素ガスに置換後、チャンバー３０内の圧力を陽圧とするために使用される（開状態となる）。チャンバー３０内を窒素ガスに置換後、バルブ６０ｄをＯｐｅｎ（開状態）とすることで、チャンバー３０内が窒素ガス雰囲気（酸素濃度１０ｐｐｍ以下）に保たれる。なお、バルブ６０ｃ，６０ｄのＯｐｅｎ・Ｃｌｏｓｅ（開閉）は、制御装置１Ｃからの制御信号により制御される。

リークバルブ３０ｃは、機械式のリークバルブであり、大気圧より若干高い圧力（大気圧に対して１〜１００Ｐａ程度の陽圧（好ましくは５〜１０Ｐａ程度））で動作するよう設定されている。チャンバー３０内の圧力が、リークバルブ３０ｂの設定圧力以上になると、窒素ガスがリークバルブ３０ｃを通じてチャンバー３０外へ排出される。このリークバルブ３０ｃにより、チャンバー３０内の圧力が上昇し、チャンバー３０が破損することを防止できる。

また、チャンバー３０には、２つの開口部３０ａ、３０ｂが設けられている。開口部３０ａは、搬送装置１Ｂとの間で光学素子成形素材もしくは光学素子を受渡する際に使用される。また、開口部３０ｂは、駆動機構２９の移動軸２９ａをチャンバー３０内へ導入するための導入口である。なお、チャンバー３０の機密性を保つために、開口部３０ｂと移動軸２９ａとの間にＯリングを介在させてもよい。

以上のように、チャンバー３０の内部雰囲気は、不活性ガス雰囲気に保たれプレス成型時に、このプレス成形装置１Ａを構成する部材が酸化しないように構成されている。

搬送装置１Ｂは、搬送ロボット４１、ゲートバルブ４３などを備える。搬送ロボット４１は、トレー７０ａから光学素子成形素材２を予熱台４２へ搬送する。予熱台４２は、図示しないヒータにより、光学素子成形素材２を予備加熱する。搬送ロボット４１は、予熱台４２で予熱された光学素子成形素材２をプレス成形装置１Ａの上型１１及び下型１２から構成される成形型内へ裁置し、プレス成形装置１Ａで成形された光学素子をプレス成形装置１Ａから取り出して、トレー７０ｂへ収容する。

チャンバー４５は、主成分がＦｅ、厚みが１０ｍｍ程度からなる箱型の筺体であり、搬送装置１Ｂを構成する搬送ロボット４１、予熱台４２などを収容する。チャンバー４５には、不活性ガスである窒素ガスを導入するガス配管６０が、バルブ６０ａ,６０ｂを介して接続されている。バルブ６０ａがＯｐｅｎ（開状態）の場合、略１００Ｌ／分の流量で窒素ガスがチャンバー４５に導入される。また、バルブ６０ｂがＯｐｅｎ（開状態）の場合、略３０Ｌ／分の流量で窒素ガスがチャンバー４５に導入される。なお、チャンバー４５に導入される窒素ガスのガス流量は、それぞれ（図示しない）流量制御バルブ（ニードルバルブ等）により制御される。

バルブ６０ａは、チャンバー４５内を窒素ガスに置換する際に使用される（開状態となる）。バルブ６０ｂは、チャンバー４５内を窒素ガスに置換後、チャンバー４５内の圧力を陽圧とするために使用される（開状態となる）。チャンバー４５内を窒素ガスに置換後、バルブ６０ｂをＯｐｅｎ（開状態）とすることで、チャンバー４５内が窒素ガス雰囲気（酸素濃度５０ｐｐｍ以下）に保たれる。なお、バルブ６０ａ，６０ｂのＯｐｅｎ・Ｃｌｏｓｅ（開閉）は、制御装置１Ｃからの制御信号により制御される。

リークバルブ４５ｃは、機械式のリークバルブであり、大気圧より若干高い圧力（大気圧に対して１〜１００Ｐａ程度の陽圧（好ましくは５〜１０Ｐａ程度））で動作するよう設定されている。チャンバー４５内の圧力が、リークバルブ４５ｃの設定圧力以上になると、窒素ガスがリークバルブ４５ｃを通じてチャンバー４５外へ排出される。このリークバルブ４５ｃにより、チャンバー４５内の圧力が上昇し、チャンバー４５が破損することを防止できる。

また、チャンバー４５には、２つの開口部４５ａ、４５ｂが設けられている。開口部４５ａは、光学素子の成形装置１の外部から搬送装置１Ｂに対して光学素子成形素材もしくは光学素子を搬入出するための開口である。また、開口部４５ｂは、プレス成形装置１Ａとの間で光学素子成形素材もしくは光学素子を受渡する際に使用される。

各開口部４５ａ，４５ｂには、ゲートバルブ４３，４４が設けられている。ゲートバルブ４３は、トレー７０ａ，７０ｂを搬送装置１Ｂから回収もしくは搬入する際に動作して、開口部４５ａを開く。なお、トレー７０ａ，７０ｂの回収および搬入は、ユーザが行うが、搬送装置１Ｂのゲートバルブ４３前に、トレー７０ａ，７０ｂの回収および搬入を行う搬送ロボット等を設置して自動で行うようにしてもよい。その他の時には、ゲートバルブ４３は、開口部４５ａを閉じるように制御される。ゲートバルブ４４は、搬送ロボット４１が光学素子成形素材２をトレー７０ａからプレス成形装置１Ａ内へ搬入する際、もしくは搬送ロボット４１がプレス成形後の光学素子をプレス成形装置１Ａから取り出しトレー７０ｂへ収容する際に動作して、開口部４５ｂを開く。その他の時には、ゲートバルブ４４は、開口部４５ｂを閉じるように制御される。

ゲートバルブ４３，４４は、通常動作において、開口部４５ａ，４５ｂを同時に開くことはない。つまり、開口部４５ａ，４５ｂの一方が開いているときには、他方は必ず閉じるようにゲートバルブ４３，４４が制御される。このようにゲートバルブ４３，４４を制御することで、チャンバー３０内へ空気（特に、酸素や水分）が入り込むことを抑制し、チャンバー３０の内部雰囲気が窒素ガス雰囲気に保もたれるよう構成されている。なお、ゲートバルブ４３，４４は、チャンバー３０，４５の気密性を保つためのＯリングをそれぞれ具備する。

また、チャンバー３０，４５には、チャンバー３０，４５内を真空引きするための真空配管５０の一端側が、各々バルブ５０ａ，５０ｂを介して接続されている。また、真空配管５０の他端側には、真空ポンプ５０ｃが接続されている。バルブ５０ａ，５０ｂは、それぞれチャンバー３０，４５内を窒素ガスに置換する際に、Ｏｐｅｎ（開状態）となる。バルブ５０ａ，５０ｂがＯｐｅｎ（開状態）すると、チャンバー３０，４５内がそれぞれ真空引きされる。なお、この真空引きは、バルブ６０ａ，６０ｃをＯｐｅｎして、チャンバー３０，４５内へ窒素ガスを導入した状態で行われる。

この実施形態では、上述のように、バルブ６０ａ，６０ｃをＯｐｅｎして、チャンバー３０，４５内へ窒素ガスを導入した状態で真空引きを実施するため、チャンバー３０，４５を高真空仕様とする必要がなく、また、チャンバー３０，４５内を陽圧に保持する際にも、大気圧に対して１〜１００Ｐａ程度の陽圧（好ましくは５〜１０Ｐａ程度）に制御するのでチャンバー３０，４５を高耐圧仕様とする必要もない。このため、光学素子の成形装置１の製造コストを抑制できる。結果、光学素子の成形装置１の光学素子の製造コストを抑制できる。なお、バルブ６０ａ，６０ｃをＯｐｅｎして、チャンバー３０，４５内へ窒素ガスを導入した状態で真空引きを実施するため、チャンバー３０，４５内は、略窒素ガスに置換され、十分に酸素濃度を低減することができる。また、チャンバー３０内、もしくはチャンバー４５内への気体の逆流を防止するため、バルブ５０ａ，５０ｂは、同時にはＯｐｅｎ（開状態）しないように制御される。

次に、チャンバー３０の窒素ガス置換について説明する。
チャンバー３０は、光学素子の成形装置１の立ち上げの際に窒素ガスへの置換が行われ、チャンバー３０内の空気が、不活性ガスである窒素ガスに置換される。この窒素ガスへの置換は、以下の手順で実施される。
１．バルブ５０ａをＯｐｅｎして、真空ポンプ５０ｃによりチャンバー３０内を真空引きするとともに、バルブ６０ｃをＯｐｅｎし、窒素ガスをチャンバー３０内へ導入する。
２．チャンバー３０内の酸素（Ｏ_２）濃度が既定値に達したら、もしくは規定の時間（例えば、１０分程度）が経過したらバルブ６０ｃをＣｌｏｓｅして窒素の導入を停止すると共に、バルブ５０ａをＣｌｏｓｅして真空引きを停止する。
３．バルブ６０ｄをＯｐｅｎして、窒素ガスをチャンバー３０内へ導入し、チャンバー３０内を陽圧に保つ。
なお、プレス成形装置１Ａを構成する部材の酸化を防止する観点からは、チャンバー３０内の酸素濃度が１０ｐｐｍ以下となるまで窒素ガスへの置換を実施することが望ましい。

次に、チャンバー４５の窒素ガス置換について説明する。
チャンバー４５は、光学素子の成形装置１の立ち上げの際、もしくはゲートバルブ４３の開閉後に窒素ガスへの置換が行われ、チャンバー４５内の空気が、不活性ガスである窒素ガスに置換される。この窒素ガスへの置換は、以下の手順で実施される。
１．バルブ５０ｂをＯｐｅｎして、真空ポンプ５０ｃによりチャンバー４５内を真空引きするとともに、バルブ６０ａをＯｐｅｎし、窒素ガスをチャンバー４５内へ導入する。
２．チャンバー４５内の酸素（Ｏ_２）濃度が既定値に達したら、もしくは規定の時間（例えば、１０分程度）が経過したらバルブ６０ａをＣｌｏｓｅして窒素の導入を停止すると共に、バルブ５０ａをＣｌｏｓｅして真空引きを停止する。
３．バルブ６０ｂをＯｐｅｎして、窒素ガスをチャンバー４５内へ導入し、チャンバー４５内を陽圧に保つ。

次に、本発明の光学素子の成形方法について、図１の光学素子の成形装置１を用いた場合について、図１および図２を参照して説明する。なお、チャンバー３０内は、すでに窒素ガスに置換されているものとする。

初めに、ゲートバルブ４３をＯｐｅｎして、搬送装置１Ｂ内に、複数個の光学素子成形素材２を収容したトレー７０ａ、およびプレス成形後の光学素子を収容するためのトレー７０ｂをチャンバー４５内にセットする。次に、ゲートバルブ４３をＣｌｏｓｅして、チャンバー４５内を、不活性ガスである窒素ガスに置換する。

置換が完了し、チャンバー４５内が窒素ガス（不活性ガス）雰囲気となったところで、搬送ロボット４１により光学素子成形素材２をトレー７０ａより取り出して、光学素子成形素材２を予熱台４２へ搬送する。光学素子成形素材２は、予熱台４２上で予熱される。予熱後、搬送ロボット４１は、光学素子成形素材２を光学素子の成形装置１内へ搬送し、上型１１、下型１２及び胴型１３から構成される成形型の内部に光学素子成形素材２を裁置する。光学素子成形素材２のプレス成形を行う間に、搬送ロボット４１は、次の光学素子成形素材２を予熱台４２へ搬送して、次の光学素子成形素材２の予熱を開始する。

光学素子成形素材２を成形型の内部に裁置した後、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２により成形型全体が加熱され、それと同時に光学素子成形素材２も加熱される。この加熱を行いながら、駆動手段２９により下型１２を上方向に移動させて、下型１２を胴型１３に嵌合させる。嵌合させた下型１２をさらに上方に移動させていき、成形素材用ヒータ１５と光学素子成形素材２が所定の距離となったら、一旦上方への移動を停止し、ここで、成形素材用ヒータ１５により、光学素子成形素材２を軟化する温度まで加熱する（図２（ａ））。なお、この胴型１３への嵌合により、光学素子の光軸が一致するように上型１１及び下型１２の位置合わせが行われ、同軸性が確保される。

このとき、成形素材用ヒータ１５と光学素子成形素材２との距離は、成形素材を均一に加熱することができるように、ヒータの形状や性能、光学素子成形素材の大きさ等により適宜決定すればよい。このとき、距離が近すぎると成形素材表面に温度分布が発生して場所によって温度がバラついてしまい、距離が遠すぎると成形素材表面を所望の成形粘性まで加熱することができなくなってしまう。

また、これと同時に上ヒータ２０及び下ヒータ２１により、それぞれ上型１１及び下型１２を加熱するが、これらのヒータ２０，２１は、それぞれ型の温度を個別に制御するようになっている。型温度は、上型１１及び下型１２に設けられた熱電対で検出することができ、これら熱電対３１、３２を取り付ける位置は、光学素子成形素材２の温度をできるだけ正確に反映するように、成形面１１ａ及び１２ａの近接した型内部に設けることが好ましい。

図２には、上型１１には上ヒータ２０の先端に熱電対３１を、下型１２には下ヒータ２１の先端に熱電対３２を設けた例を示している。これと同時にランプヒータ２２でも、成形型全体を加熱し、プレス成形時にその加熱状態を維持することができるようになっている。このとき、それぞれのヒータは温度制御手段により個別に所定の温度となるように調節、維持される。

成形素材用ヒータ１５は、成形素材を軟化溶融させる温度にまで加熱するもので、その素材の屈伏点（Ａｔ）以上に加熱すると変形が容易となるが、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から軟化点の間の温度に設定する。ここでの加熱温度は、用いるガラス素材が加圧変形できる温度にすればよく、屈伏点とガラス転位点との中間付近の温度であることが好ましい。

また、上ヒータ２０及び下ヒータ２１は、それぞれ上型１１及び下型１２の温度を個別に管理するようになっており、その温度は、それぞれの型内に埋め込まれた熱電対３１，３２により検出された温度をフィードバックすることによって、所定の温度範囲に制御される。このときの上型１１及び下型１２の温度は、その成形素材の屈伏点（Ａｔ）に対して５〜５０℃高い温度とすることが好ましい。

また、ランプヒータ２２は、成形型全体を加熱するものであり、急速に成形型の加熱を行うことができる。このランプヒータ２２は、成形型全体を加熱するのに適しており、特に加熱の初期段階において有用である。このランプヒータ２２は、胴型１３の温度をその胴型内に埋め込まれた熱電対３３により検出し、その検出した温度をフィードバックすることによって、温度制御手段により所定の温度範囲に制御される。このときの胴型１３の温度は、その成形素材の屈伏点（Ａｔ）に対して、５〜５０℃高い温度とするものであることが好ましい。

これら成形素材用ヒータ１５、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２により光学素子成形素材２及び成形型が十分に加熱されたところで、成形素材用ヒータ１５を胴型１３の開口部から成形型の外部へと移動させる（図２（ｂ））。

成形素材用ヒータ１５が移動すると同時に、下型１２を再度上方へ移動させていき、光学素子成形素材２を上型１１との間でプレスし、所望の光学素子形状を付与する。プレスのための下型１２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。なお、本実施形態においては、下型１２の上方移動を所定の位置で停止するようにストッパ１４が設けられている。

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、１０〜２０Ｎ／ｍｍ^２であることが特に好ましい。

成形素材をプレス成形により押し切った直後に、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２による加熱を停止し、成形型を冷却する。そして、成形型の温度が成形素材のガラス転移点（Ｔｇ）以下になったところで、駆動手段２９により下型１２を下降してプレス成形された光学素子を離型し、光学素子を搬出可能とする。

この成形型の冷却は、上型１１を保持する上断熱部材１６及び上軸１８の内部に冷却媒体を流通させることで上型１１を、下型１２を保持する下断熱部材１７及び下軸１９の内部に冷却媒体を流通させることで下型１２を冷却することができるように構成してもよく、このとき、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。

このとき、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。冷却開始時の冷却速度は、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付近やそれ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。

歪点以下の温度まで冷却されたプレス成形後の光学素子は、搬送ロボット４１により成形型の内部から取り出され、トレー７０ｂへ収容される。光学素子が成形型の内部から取り出されると、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２により再度成形型の加熱が行われ、次のプレス成形に備える。

搬送ロボット４１は、成形型の内部から取り出されたプレス成形後の光学素子をトレー７０ｂへ収容し、予熱台４２で予熱された光学素子成形素材２を成形型の内部に裁置する。上記光学素子成形素材２のプレス成形を繰り返し、トレー７０ａに収容されたすべての光学素子成形素材２の成形が完了すると、ゲートバルブ４４をＣｌｏｓｅした状態で、ゲートバルブ４３がＯｐｅｎし、プレス成形後の光学素子が収容されたトレー７０ｂが回収され、光学素子成形素材２が収容された新たなトレー７０ａが投入される。

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。

以上のような操作を繰り返し行うことにより、ランニングコストを抑制して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。さらに、光学ガラスの形状は球面、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。

ちなみに、このとき用いる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。

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。
（実施例１）

以下、実施例について図３に示した工程Ａ乃至工程Ｄを参照して光学素子の成形について説明する。なお、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。

（工程Ａ）
温度を略５５０℃に保持した成形型の下型１２の成形面１２ａ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搬送ロボット４１により搬送して載置した。次いで、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２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２９によりガラス素材が載置された下型１２を上方向に移動させて、下型１２を胴型１３に嵌合させ、さらに、成形素材用ヒータ１５と光学素子成形素材２との距離が１０ｍｍとなるまで下型１２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１５の温度を９２０℃とすることにより光学素子成形素材２を６９０℃程度に加熱したところで、成形素材用ヒータ１５を成形型の外部に移動させた。

（工程Ｂ）
その後、再度、下型１２を、ストッパ１４により停止するまで上方へ移動させ、光学素子成形素材２を上型１１及び下型１２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になる位置に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とした。

（工程Ｃ）
プレス後、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２の出力を下げ、さらに、上軸１８及び上断熱部材１６に設けられた流路にＮ_２ガスを流通させて上型１１を、下軸１９及び下断熱部材１７に設けられた流路にＮ_２ガスを流通させて下型１２を、３０℃／分の一定の冷却速度で冷却するようにして、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を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冷却し、固化させた。

（工程Ｄ）
次に、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２を停止し、上型１１及び下型１２の冷却速度を６０℃／分とすると同時に、駆動手段２９により下型１２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、搬送ロボット４１により成形型から取り出し、次の光学素子成形素材２を成形型の内部に裁置する。このプレス成形後の光学素子と光学素子成形素材２との入れ替え中、成形型の温度は５５０℃に保持する。

成形型の内部から取り出されたプレス成形後の光学素子は、搬送ロボット４１によりトレー７０ｂへ収容する。

また、成形型の内部に裁置された光学素子成形素材２は、上述した工程Ａ乃至工程Ｄを繰り返すことにより光学素子に成形される。

以上のように、本発明の光学素子の成形装置は、真空ポンプ５０ｃを備え、チャンバー３０，４５内を真空引きすることができるので、不活性ガスの置換に必要な時間を短縮できる。また、不活性ガスへの置換後は、不活性ガスの流量を抑制するのでランニングコストを抑制できる。さらに、チャンバー３０，４５内へ不活性ガスを導入した状態で真空引きを実施するため、チャンバー３０，４５を高真空仕様とする必要がなく、また、チャンバー３０，４５内を陽圧に保持する際にも、大気圧に対して１〜１００Ｐａ程度の陽圧（好ましくは５〜１０Ｐａ程度）に制御するのでチャンバー３０，４５を高耐圧仕様とする必要もない。このため、光学素子の成形装置１の製造コストを抑制できる。結果、光学素子の成形装置１の光学素子の製造コストを抑制できる。

なお、上記説明では、トレー７０ａに収容されている光学素子成形素材２を全てプレス成形した後に、ゲートバルブ４３をＯｐｅｎして、プレス成形後の光学素子が収容されたトレー７０ｂを回収するとともに、新たな光学素子成形素材２が収容された新たなトレー７０ａを投入しているが、トレー７０ａに収容されている光学素子成形素材２の最後の一つがプレス成形装置１Ａ内でプレス成形されている間に、ゲートバルブ４３をＯｐｅｎして、プレス成形後の光学素子が収容されたトレー７０ｂを回収するとともに、新たな光学素子成形素材２が収容された新たなトレー７０ａを投入して、チャンバー４５の不活性ガスへの置換を行うように構成してもよい。この場合、上記光学素子成形素材２の最後の一つが、次に投入された光学素子成形素材２とともに回収されることになるが、プレス成形装置１Ａの空き時間（プレス成形を行っていない時間）の発生を抑制でき、光学素子の生産性を向上することができる。その結果、光学素子の製造コストを抑制できる。

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…光学素子の成形装置、１１…上型、１２…下型、１３…胴型、１４…ストッパ、１５…成形素材用ヒータ、１６…上断熱部材、１７…下断熱部材、１８…上軸、１９…下軸、２０…上ヒータ、２１…下ヒータ、２２…ランプヒータ、２３…調芯機構、２４…上フレーム、２５…下フレーム、２６…支持部材、２７…ガイド柱、２８…ベースフレーム、２９…駆動機構、３０…チャンバー、３１〜３３…熱電対、４１…搬送ロボット、４２…予熱台、４３，４４…ゲートバルブ、４５…チャンバー、５０…真空配管、６０…ガス配管、７０…トレー。

Claims (7)

1. 上型及び下型から構成される成形型内に光学素子成形素材を裁置し、該光学素子成形素材を軟化点以上の温度にまで加熱した後、前記光学素子成形素材を所定形状の光学素子にプレス成形する光学素子の成形装置において、
   前記成形型内へ前記光学素子成形素材を裁置し、前記所定形状にプレス成形された光学素子を前記成形型内から取り出す搬送手段と、
   前記成形型を収容する筺体と、
   前記筺体内を真空引きする真空引き手段と、
   前記筺体内へ不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段と、
   前記真空引き手段および前記不活性ガス導入手段を制御して、前記筺体内を真空引きした後、前記不活性ガスを導入して、前記筺体内を前記不活性ガスに置換する制御手段と、
   を具備することを特徴とする光学素子の成形装置。
2. 前記不活性ガス導入手段は、
   前記筺体内へ前記不活性ガスを導入する第１の経路と、前記第１の経路よりも前記不活性ガスの流量が少ない第２の経路とを備え、
   前記制御手段は、
   前記筺体内を真空引きした後、前記第１の経路から前記筺体内へ前記不活性ガスを導入し、前記筺体内が前記不活性ガスに置換されると、前記第２の経路から前記筺体内へ前記不活性ガスを導入して、前記筺体内を陽圧に保持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. 前記制御手段は、
   前記筺体内を、大気圧に対して１〜１００Ｐａ程度の陽圧に保持す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. 前記筺体内に、前記光学素子成形素材を予備加熱する予備加熱手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の光学素子の成形装置。
5. 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を用いて、上型及び下型から構成される成形型内に光学素子成形素材を裁置し、該光学素子成形素材を軟化点以上の温度にまで加熱した後、前記光学素子成形素材を所定形状の光学素子に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光学素子の成形方法であって、
   前記成形型を収容する筺体内を真空引きする工程と、
   前記真空引きされた筺体内へ不活性ガスを導入する工程と、
   を具備することを特徴とする光学素子の成形方法。
6. 前記不活性ガスを導入する工程は、
   前記筺体内を真空引きした後、第１の経路から前記筺体内へ前記不活性ガスを導入して、前記筺体内を前記不活性ガスに置換する工程と、
   前記置換後、前記第１の経路よりも前記不活性ガスの流量が少ない第２の経路から前記筺体内へ前記不活性ガスを導入して、前記筺体内を陽圧に保持する工程と、
   を具備することを特徴とする請求項５記載の光学素子の成形方法。
7. 前記筺体内を陽圧に保持する工程は、
   前記筺体内を、大気圧に対して１〜１００Ｐａ程度の陽圧に保持することを特徴とする請求項６記載の光学素子の成形方法。

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