JP2011207675A - 光学素子製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形された光学素子に傷をつけることなく、金型への光学素子の貼り付きを解除する。
【解決手段】レンズ製造装置２０は、軟化した状態のプリフォーム１２が装填される一組の金型１６と、ガラス転移温度以上に昇温されたプリフォーム１２を加圧してレンズを形成する成形装置２１とがチャンバ２２内に設けられる。ヒータ５６，５７によって加熱され、プリフォーム１２がガラス転移温度以上になる。ガラス転移温度以上になったプリフォーム１２は転写面１４，１５で加圧され、所定の形状に整形された後に、ガラス転移温度よりも低い温度にまで冷却され、減圧されてレンズ１８が形成される。その後、ヒータ５６，５７によって下型５１と上型５２とが再加熱される。再加熱によって下型５１と上型５２とが１０〜３０℃昇温したところで再加熱が停止され、型開きされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、金型に形成された光学面形状を光学素材のプリフォームに転写して光学素子を成形する光学素子製造方法に関するものである。

レンズ等の光学素子を成形する方法として、変形可能な温度にまで加熱したプリフォームを一対の転写面を有する金型で加圧して転写面に形成された光学面形状をプリフォームに転写して光学素子を成形し、その後、取り出し可能な温度にまで冷却してから金型を開いて成形された光学素子を取り出す方法が用いられている。

この製造方法は、成形後に研削・研磨工程を必要としない等の特徴がある。また、プリフォームや成形された光学素子の運搬をロボットで行う自動搬送装置を用いることによって無人で光学素子の生産が可能となるなどの利点もある。しかし、プリフォームの材質や成形する形状又は成形温度によっては光学素子が金型の成形面に貼りついてしまって容易に取り出すことができないため、多くの時間を要したり、無人にすることができないなどの問題が生じる。

光学素子が金型の成形面に貼り付かないように金型に離型コートを施したものがあるが、それでも貼り付きは発生することがある。下記特許文献１には、プリフォームを加圧・成形する上下一対の金型のうち、上型が加圧方向に対して傾斜可能に構成され、成形後、上型を揺動させてガラスレンズの貼り付き状態を解放して、レンズの取り出しを容易にした離型方法が記載されている。また、下記特許文献２には、成形後、レンズ外周のみを加熱することでレンズを変形させて貼り付き状態を開放し、レンズの取り出しを容易にした離型方法が記載されている。

特開２００７−０１５９０６号公報 特開平１０−００７４２３号公報

特許文献１記載のようにレンズ成形面に貼り付いた金型をレンズ成形面に対して摺動させたり、金型に貼り付いたレンズを強制的に剥がしたりすると、レンズ成形面に傷がついてしまう。レンズ成形面は光学機能面であるから傷がついては不良品になる。一方、特許文献２において、レンズの金型への貼り付きは凸状の金型へのレンズの物理的な食い込みにより発生すると記述されており、これを防ぐためレンズを外周から加熱し離型させるときの温度変化を大きくとっている成形方法が開示されている。また、この方法には、温度変化を大きく取るために成形時間が長く４０分以上になるなど、生産性の向上が必要であった。

本発明は上記問題に鑑み、成形される光学素子に傷や内部ひずみをつけることなく、金型への光学素子の貼り付きを解除するとともに、生産性の大幅な向上も同時に実現する光学素子の製造方法を提案するものである。

本発明は、プリフォームと金型の熱伝導率が大きく異なることに着目し、比較的小さな温度変化を短時間で行うことによって金型への光学素子の貼り付きを解除した光学素子の製造方法であり、光学素材のプリフォームを一組の金型に形成された一対の転写面の間に装填し、前記金型を加熱して前記プリフォームがガラス転移温度以上になった状態で加圧し、所定の形状に整形した後、ガラス転移温度より低い温度まで冷却して光学素子を形成し、その後、金型を前記ガラス転移温度に達しない所定温度まで再加熱してから前記金型を開いて前記光学素子を取り出すことを特徴とする。

前記プリフォームは、ガラス転移温度以上の状態で前記転写面が転写された後に、ガラス転移温度より低い温度になるまで冷却されてから減圧されて光学素子が形成されるようにすると良い。前記所定温度はガラス転移温度より５〜２０℃低い温度であることが好ましい。前記再加熱によって昇温される温度が１０〜３０℃の範囲内であることが好ましい。前記再加熱の温度勾配が１．５〜６℃／秒であることが好ましい。前記金型は前記プリフォームより熱伝導率が大きいことが望ましい。

本発明による光学素子製造方法によれば、レンズ成形面の僅かな傷や内部ひずみを発生させることなく、かつ、金型の温度変化のみで実現可能のため、金型の形状によらず光学素子の金型の成形面への貼り付きを解除することができるため、製品品質の改善と生産性の大幅なアップを同時に実現することができる。

本発明によるレンズ（光学素子）製造方法を用いたレンズ製造システムの構成を示す図である。 レンズ製造装置の構成を説明する断面図である。 成形工程を示すフローである。 各工程での成形温度と成形圧力を示す図である。 レンズ成形中のレンズ製造装置の状態を示す図である。 冷却工程のレンズ製造装置の状態を示す図である。 成形されたレンズを取り出す状態を説明する図である。

図１に示すように、レンズ製造システム１０は、レンズ製造装置２０と、プリフォーム１２（図２参照）及び成形されたレンズ（光学素子）１８（図７参照）が収容される集積棚２３と、チャンバ２２と集積棚２３の間に設置され、プリフォーム１２を予熱する予熱装置２５と成形されたレンズ１８を除熱する除熱装置２６とを備えた仮置台２７と、プリフォーム１２及びレンズ１８を搬送する作業ロボット３０とによって構成される。

作業ロボット３０は、チャンバ２２に対して、前後に移動する柱状部材３１と、柱状部材３１に取り付けられて上下に移動可能な梁部材３２と、梁部材３２に設けられ梁部材３２に沿って左右に移動可能なアーム部３３と、を備えている。アーム部３３は、その先端にプリフォーム１２やレンズ１８を吸着して移動させる吸着口３４が設けられている。集積棚２３は、複数枚の棚を備え、上段の数枚には成形前のプリフォーム１２が載置されたプリフォームトレイ３６が、下段の数枚には成形されたレンズ１８を載せるレンズ集積トレイ３７が置かれている。

チャンバ２２は、外壁面にアーム部３３が出入りする開口４１が設けられ、前記外壁面に設けられたシャッタ装置４２のシャッタ板４３によってアーム部３３が出入りするとき以外は閉じられている。シャッタ板４３を閉じるとチャンバ２２内が不活性ガスで満たされ、チャンバ２２の外から酸素が入り込むことがなくなるので、金型の酸化を防ぐことができる（図１，２参照）。

図２に示すように、レンズ製造装置２０は、プリフォーム１２が装填される一対の転写面１４，１５を有する一組の金型１６と、ガラス転移温度以上に昇温されたプリフォーム１２を加圧してレンズ１８を形成する成形装置（成形手段）２１とがチャンバ２２内に設けられる。一組の金型１６は凹の転写面１４を有する下型５１と、凸の転写面１５を有する上型５２と、下型５１と上型５２とが嵌合するとともにレンズ１８の側面を形成する胴型５３とから構成される。

成形装置２１は、下型５１が固定される台型５４と、上型５２が固定される押圧型５５と、台型５４及び押圧型５５を加熱するヒータ５６，５７と、冷却用ガスが噴出される冷却ノズル５８とを備える。台型５４に固定された下型５１には胴型５３が嵌合される。下型５１の転写面１４と同一軸上で対向するように転写面１５が位置決めされた上型５２は、押圧型５５の下降によって先端が胴型５３と嵌合してレンズ１８の形成を行う。

ヒータ５７は単独で上下に移動自在であり、金型１６の加熱時には下降し、終了後は上昇して待機する。ヒータ５６，５７は台型５４と押圧型５５を加熱して下型５１と上型５２の間に装填されたプリフォーム１２をガラス転移温度以上にまで昇温させる。ガラス転移温度以上になったプリフォーム１２は前記転写面で加圧され所定の形状に整形された後に、ガラス転移温度より低い温度にまで冷却され、減圧されてレンズ１８が形成される。その後、ヒータ５６，５７によって下型５１と上型５２とが再加熱される。再加熱によって下型５１と上型５２とが１０〜３０℃昇温したところで再加熱が停止され、型開きされる。

このとき、レンズが上下型どちらかに密着し貼りついた状態となりやすい。発明者らは研究を重ねた結果、金型と光学素材の熱伝導率の差に着目し、レンズの貼り付きは光学素子と型が密着された状態で温度変化するときに、比較的小さな温度変化であっても、光学素子と型の熱膨張差により光学素子と型の間に剥離が発生し、貼り付きを解消することが出きるタイミングがあることを見出した。一般的には、金型に用いられる材料の熱伝導率は、いずれも光学素材より十分に大きいのが通常であるから、金型を再加熱すると金型が先に膨張し、後に光学素材であるレンズに熱が伝達される。レンズは金型に比べて熱伝達が遅いので、レンズの温度は金型の昇温する速さに追随できない。この時の温度差によって、金型とレンズの間に僅かな隙間が生じる。このように金型の温度変化のみを利用することでレンズの品質に影響を与えず貼り付きを解消できる。

例えば、レンズ１８に、熱伝導率＝１．０２８（Ｗ／ｍ・Ｋ）のＬ−ＢＡＬ４２が用いられ、金型１６にレンズ１８より熱伝導率の大きい、熱伝導率＝７２（Ｗ／ｍ・Ｋ）のバインダレス超硬合金（ＲＣＣＦＮ）を用い、Ｌ−ＢＡＬ４２のガラス転移温度より４０℃低い温度まで冷却した後に再加熱し、２５℃再昇温したところで型開きが行われる場合、金型１６が２５℃昇温した時点ではレンズ１８の温度は殆ど上昇していない。この温度差によって、下型５１，上型５２の転写面１４，１５とレンズ１８の間に僅かな隙間が生じて真空密着状態による転写面１４，１５への貼り付きが解除され、レンズ１８は容易に取り出すことができるようになる。

なお、光学素材として、Ｌ−ＢＡＬ４２などのガラス素材だけでなく、アクリルやポリカーボネートなどのプラスチック素材を用いても良い。プラスチック素材はいろいろな熱伝導率のものがあるが、再加熱の温度勾配を十分に設定することで、それぞれの材質に対応することができる。

本発明によるレンズ製造方法（光学素子製造方法）は、予め加熱されたプリフォーム１２を一組の金型１６に形成された一対の転写面１４，１５の間に装填して金型１６を加熱し、プリフォーム１２がガラス転移温度以上になった状態で加圧され所定の形状に整形された後、ガラス転移温度より低い温度まで冷却し、その後減圧してレンズ１８を形成する。その後、金型１６をガラス転移温度に達しない所定温度まで再加熱してから金型１６を開いてレンズ１８を取り出す。この方法を工程別に説明すると、図３に示すような第１工程から第５工程となり、図４に示されるような加熱と冷却による温度管理が実行される。

（第１工程）予め予熱装置２５で加熱されたプリフォーム１２が作業ロボット３０の吸着口３４によって吸着され、下型５１の転写面１４の上に載置される。図２参照）。押圧型５５の下降によって上型５２の先端が胴型５３に嵌合されて型閉じされる。

（第２工程）ヒータ５７が上型５２を加熱すると同時に、下型５１がヒータ５６によって加熱される。下型５１と上型５２が昇温されてプリフォーム１２がガラス転移温度以上に達した後に上型５２を下降させて転写面１４，１５によってプリフォーム１２を所定の圧力で加圧し、転写面１４，１５に形成された光学面形状がプリフォーム１２に転写され、所定の形状に整形されることでレンズ１８が形成される（図５参照）。

（第３工程）冷却ノズル５８から冷却ガスが噴出されてガラス転移温度より１５〜５０℃低い温度になるまで冷却され、減圧される（図６参照）。減圧開始のタイミングは図４に示されるガラス転移温度より低い再加熱温度でなくても良く、例えば、ガラス転移温度より高い温度で減圧が開始されても良い。なお、成形温度は高温であるから、冷却ガスによって強制的に冷やすのではなく、自然放熱によって冷却させる方法であっても良い。

（第４工程）冷却後、ヒータ５６，５７によって金型１６がガラス転移温度に達しない所定温度（ガラス転移温度より５〜２０℃低い温度）まで加熱され、１０〜３０℃程度、昇温される。また、この時の再加熱は温度勾配が１．５〜６℃／秒となるように実行される。

（第５工程）金型１６が前記所定温度になったところでヒータ５７とともに押圧型５５が上昇し、金型１６が開かれる。開口４１から挿入された作業ロボット３０のアーム部３３によって、成形されたレンズ１８が下型５１より取り出され（図７参照）、除熱装置２６に載置される。

（後工程及び次の前工程）除熱装置２６に載置されたレンズ１８は、作業ロボット３０の吸着口３４によって吸着され、レンズ集積トレイ３７に載置される。作業ロボット３０はプリフォームトレイ３６から次のプリフォームを吸着して予熱装置２５に載せる。

次に、本発明による作用について説明する。成形されたレンズ１８は冷却されることによって金型１６の転写面１４又は１５に貼り付いていることが多いが、金型１６の熱伝導率がレンズ１８より大きく、比較的小さな再加熱によって、ガラス転移温度以下の範囲で温度勾配１．５〜６℃／秒の速さで昇温させるので、レンズ１８と転写面１４又は１５との間に隙間ができ、貼り付きが解除される。このとき、転写面１４または１５とレンズ１８の間で物理的な移動を伴わないのでレンズ１８に傷をつけることがなく、同時に再加熱はほぼ金型１６のみの温度変化ですむことからレンズ１８に内部ひずみを発生させることがないため品質に影響を与えることなく実現可能である。また、必要な温度変化量も１０℃〜３０℃と小さく、ガラス転移温度より５〜２０℃低い温度の状態で金型１６を開いてレンズを取り出すので、冷却時間が短く、成形時間の大幅な短縮が図られる。

１０ レンズ製造システム
１２ プリフォーム
１４，１５ 転写面
１６ 金型（一組の金型）
１８ レンズ（光学素子）
２０ レンズ製造装置（光学素子製造装置）
２１ 成形装置
２２ チャンバ
２３ 集積棚
２５ 予熱装置
２６ 除熱装置
２７ 仮置台
３０ 作業ロボット
３３ アーム部
３４ 吸着口
３６ プリフォームトレイ
３７ レンズ集積トレイ
４１ 開口
４３ シャッタ板
５１ 下型
５２ 上型
５３ 胴型
５４ 台型
５５ 押圧型
５６，５７ ヒータ
５８ 冷却ノズル

Claims (6)

1. 光学素材のプリフォームを一組の金型に形成された一対の転写面の間に装填し、前記金型を加熱して前記プリフォームがガラス転移温度以上になった状態で加圧し、所定の形状に整形した後、ガラス転移温度より低い温度まで冷却して光学素子を形成し、その後、金型を前記ガラス転移温度に達しない所定温度まで再加熱してから前記金型を開いて前記光学素子を取り出すことを特徴とする光学素子製造方法。
2. 前記プリフォームは、ガラス転移温度以上の状態で前記転写面が転写された後に、ガラス転移温度より低い温度になるまで冷却されてから減圧されて光学素子が形成されることを特徴とする請求項１記載の光学素子製造方法。
3. 前記所定温度はガラス転移温度より５〜２０℃低い温度であることを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子製造方法。
4. 前記再加熱によって昇温される温度が１０〜３０℃の範囲内であることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光学素子製造方法。
5. 前記再加熱の温度勾配が１．５〜６℃／秒であることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の光学素子製造方法。
6. 前記金型は、前記プリフォームより熱伝導率が大きいことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の光学素子製造方法。
   

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