JP2011230970A - 光学素子の成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、成形装置の成形型内の温度差を生じにくいように均熱化し、この均熱化によって、高精度の光学素子を歩留まり良く製造する光学素子の成形装置を提供する。
【解決手段】上型と下型の間に光学素子成形素材が置かれた成形型を、チャンバー内に設けた加熱、プレス成形及び冷却の各ステージへ順次搬送して光学素子を成形する光学素子の成形装置であって、成形型５０の搬送方向に対して、左右にあるチャンバー２の側面板と複数組のプレート３ｂ〜５ｂとの距離が異なるものであって、該距離の長い方において、複数組のプレート３ｂ〜５ｂとの距離が、複数組のプレートとチャンバー２の側面板との短い距離と略同一となるように均熱用断熱板９を設けた光学素子の成形装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子を連続的に製造可能な成形装置に係り、特に、装置内の各処理ステージでの処理によりプレス成形されて得られる光学素子の形状精度を向上させた光学素子の成形装置に関する。

近年、光学素子の成形方法として、成形型内に光学素子成形素材を収容して加熱軟化させ、プレス成形して、光学素子を高精度に成形する方法が一般に行われているが、さらに、製造コストを低減するために、複数の成形型を加熱軟化、プレス成形、冷却の各処理ステージに順に移送しながら複数の光学素子を連続的に成形する光学素子の製造装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

このような光学素子の製造装置においては、成形型は、加熱軟化、プレス成形の各ステージで、光学素子成形素材を加工するのに十分な高温とされ、冷却ステージでは、成形素材が固化し、かつ、成形型が酸化されない２００℃以下の温度とされ、各ステージで成形型と接する上下プレートは、成形型をこのような温度状態に制御するため、それぞれ異なる所定の温度状態に維持される。

特開平８−２５９２４０号公報 特開２００８−６９０１９号公報 特開２００９−９６６７６号公報

このような装置では、装置全体の温度勾配は、成形型の取入れ口側から徐々に高くなっていき、プレス成形処理を行うプレスステージを頂点として、成形型の取出し口側に向かって徐々に低くなっていくようにされており、加熱ステージ、プレス成形ステージ、冷却ステージにおける上下プレートの加熱は、プレートの内部に埋め込まれたカートリッジヒータによって行われている。

このプレート上に配置した成形型は、加熱ステージ、プレス成形ステージ、冷却ステージにおいてプレートを一様に加熱することで成形型も一様に加熱するように構成されており、各ステージにおける処理を窒素雰囲気下で行わせるため、これら各処理ステージが設けられたチャンバー内に窒素ガスを常時供給することでチャンバー内を陽圧にしながら処理が行われている。

ところが、本発明者らの研究により、この窒素ガスの供給でチャンバー内に生じる気流が、上記プレート上に配置された成形型の側面を冷却して、気流の状況により成形型の左右の側面に温度差を生じさせることが判明した。

従来、このような装置では、成形型を搬送する機構をチャンバー内に設けるためのスペースを確保するため、通常、プレート列とチャンバーの一方の側の側面板間の距離と、チャンバーの他方の側の側面板間の距離間隔が異なっている。このプレート列とチャンバーの側面板間の間隔の違いが、成形型の加熱および冷却状態に影響を与えていることも、本発明者らの検討により明らかになった。

このように外的要因で成形型内における温度差が生じてしまうと、それがプレス対象である光学素子成形素材にまで影響し、光学素子の加熱又は冷却を一様に行うことができない場合が生じてくる。

特に、プレス処理ステージ直後の冷却ステージにおいて、その冷却プレート上に載置された成形型の一側面が他の側面よりも温度が低下してしまうと、内部にもその温度差が反映され、プレス成形直後の光学素子の冷却を一様に行うことができなくなってしまう。このように一様に冷却が行うことができない場合には、光学素子の場所により冷却速度が変わって、所望の形状が得られなくなり歩留まりを低下させるという問題があった。この問題は、さらに、同一の成形装置を用いる場合には、製造する光学素子のサイズが大きくなると顕在化してくるものである。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、光学素子の製造にあたって、各ステージのプレート上に載置された成形型の位置による温度差を小さく均一化させ、光学素子の加熱又は冷却を一様に行うことができるようにして、光学素子を歩留まり良く製造する光学素子の製造装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、チャンバー内の気流を調整することで、成形型が部分的に冷却され、成形型内に温度分布が生じることを抑制することができ、さらにチャンバーに熱遮蔽板を設置することで、成形型周辺の雰囲気に温度分布が生じることを抑制し、成形型内の温度分布を小さくすることができ、それらが光学素子の形状精度の安定化に寄与できることを見出し、本発明を完成したものである。

すなわち、本発明の光学素子の成形装置は、上型と下型の間に光学素子成形素材が置かれた成形型を、チャンバー内に設けた加熱、プレス成形及び冷却の各ステージへ順次搬送して光学素子を成形する光学素子の成形装置であって、前記成形装置は、前記加熱、プレス成形及び冷却の各ステージにおいて前記成形型を搭載し、搭載された前記成形型に対して、それぞれ加熱、プレス成形及び冷却の各プロセスを行う上下一対の複数組のプレートからなるプレート列と、前記各組における一対のプレートを接近又は離間させて加熱、プレス成形及び冷却のプロセスをそれぞれ行わせる駆動手段と、各プロセス及び前記成形型の搬送を制御する制御手段と、前記チャンバー内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、を備えるとともに、前記プレート列は、前記チャンバーの前記プレート列を挟んで対向する側面板の一方の側に近づけて配設されており、前記チャンバーの側面板の他方の側と前記プレート列間には、前記プレート列近傍の気流を調整し、かつプレート列と近づけて配設された側面板間の間隔と同程度に設けられてプレート列周辺の熱的雰囲気を調整する熱遮蔽板が配設されていることを特徴とするものである。

本発明の光学素子の成形装置によれば、光学素子の製造にあたって、各処理ステージのプレート列の側面に熱遮蔽板を配設すること、また、チャンバー内の不活性ガスの供給口における気体の流速の調整を行うことで、各処理ステージ周囲の気流を安定させ、成形操作時に成形型内での温度差が生じないように均熱化を図ることができ、それによって、光学素子を安定して歩留まり良く製造することができる。

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図である。 図１の成形装置の内部構造を説明する斜視図である。 図１の成形装置に用いる取入れ口側から見た図である。 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図である。 本発明のさらに他の実施形態である光学素子の成形装置の概略構成図である。 実施例１で得られた光学素子の表面形状について設計値との誤差を示した図である。 実施例２で得られた光学素子の表面形状について設計値との誤差を示した図である。 実施例３で得られた光学素子の表面形状について設計値との誤差を示した図である。 比較例１で得られた光学素子の表面形状について設計値との誤差を示した図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の一実施形態である光学素子の成形装置を側面から見た概略構成図であり（チャンバーのみ断面で示している）、図２及び図３は、それぞれ図１の成形装置の内部構造を説明するための斜視図（チャンバーを透視的に記載）と取入れ口側から見た図である。

本発明の光学素子の成形装置１は、光学素子を成形するための成形室となるチャンバー２と、該チャンバー２の内部に設けた光学素子成形素材を収容した成形型を加熱して光学素子成形素材を軟化させる加熱ステージ３と、加熱軟化した光学素子成形素材をプレス成形するプレス成形ステージ４と、プレス成形による光学素子形状が付与された光学素子成形素材を冷却する冷却ステージ５と、を有するものである。

ここで、成形室であるチャンバー２は、その内部において、光学素子の成形操作を行う場を提供するものである。このチャンバー２には、光学素子の成形型５０を内部に取り入れる取入れ口と、光学素子の成形が終了した後、成形型５０を取り出す取出し口が設けられ、この取入れ口及び取出し口には、それぞれ取入れシャッター６及び取出しシャッター７が設けられている。必要に応じて、これらシャッターを開閉することで、成形型５０をチャンバー２から出し入れすることができるようになっており、チャンバー２内の雰囲気が維持されるようになっている。

そして、このチャンバー２内を不活性ガス雰囲気とするように不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段８が、さらに、チャンバー２内には、チャンバー内の気流を調整して成形型５０の温度を均一化するための熱遮蔽板９が設けられている。また、上記取入れ口及び取出し口には、そのチャンバー２外部にそれぞれ成形型５０を載置することができる成形型載置台１０及び１１が設けられている。

このチャンバー２の内部には、光学素子を成形するための加熱ステージ３、プレス成形ステージ４及び冷却ステージ５が設けられており、これらの各ステージにより成形操作を行うものである。実際には、光学素子成形素材を収容した成形型５０が、取入れ口からチャンバー２内に取り入れられ、上記の各ステージにおいて所定の処理を施されながら順番に移動し、所定の処理が終了したら、成形型５０は取出し口からチャンバー２の外部に取出されるようになっている。

このチャンバー２の内部において、成形型５０は光学素子成形素材を軟化し、変形を容易にするものであって高温に加熱されるため、成形型５０が酸化されないように、チャンバー内雰囲気を窒素等の不活性ガス雰囲気とすることができるようになっている。この不活性ガス雰囲気とするには、チャンバー２を密閉構造として内部雰囲気を置換することで達成できるが、半密閉構造として、不活性ガスを常時チャンバー２内に供給して、チャンバー内を陽圧にしながら外部の空気が流入しないようにして不活性ガス雰囲気を維持するようにしてもよい。上記した取入れシャッター６及び取出しシャッター７は、チャンバー２内部を簡便な構成で半密閉状態とするのに効果的である。なお、これらチャンバー２及びシャッター６，７は、ステンレス、合金鋼等の素材で形成するもので高温下におけるガス、不純物が析出しない素材であることが好ましい。

次に、本発明の成形操作を行う各ステージについて説明する。なお、各ステージの説明にあたって用いる成形型５０は、一般に、光学素子の上側の光学機能面を形成する上型と、下側の光学機能面を形成する下型とで構成される一組の成形型であり、さらに上型及び下型の位置合わせを行う胴型を有するものである。胴型は、プレス時に、上型及び下型の光軸を同軸上に規制する中空円筒形状の内胴と、内胴の外周に設けられ上型及び下型間の距離を規制する中空円筒形状の外胴と、で構成することが好ましい。

また、この成形型５０は、超硬合金やセラミックス等の素材からなり、上型及び下型は、成形する光学素子の面形状を転写するための成形面をそれぞれ有しているが、ここで形成される光学素子形状は、両凸、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レンズ形状を成形する成形型であってもよい。なお、外胴を用いる場合には、高温での耐久性、耐食性、高い機械的強度を持つ材質が好ましく、さらには高い熱膨張係数を持つ材質が好ましく、具体的にはＳＵＳ等のステンレス製とすることが好ましい。

本発明の加熱ステージ３は、成形型５０に収容された光学素子成形素材を軟化させるものであり、その内部にヒータ３ａが埋め込まれた上下一対の加熱プレート３ｂから構成されるものである。この加熱プレート３ｂは、上下一対の加熱プレート３ｂを成形型の上型、下型にそれぞれ接触させることで、上型及び下型を加熱することができ、それにより成形型内部に収容されている光学素子成形素材をも加熱させることができるようになっている。

より具体的には、加熱ステージ３において、下側の加熱プレート３ｂはチャンバー２の底板に固定されており、上側の加熱プレート３ｂは上下移動が可能なようになっている。上側の加熱プレート３ｂは、加熱プレート３ｂ自体の熱をそのまま伝えないように断熱板３ｃを介してシャフト３ｄと接続され、このシャフト３ｄは図示しないシリンダーによって加熱プレート３ｂを上下移動可能としている。このように、加熱プレート３ｂを上下移動可能とすることにより、この上側の加熱プレート３ｂの成形型５０の上型への接触・非接触を制御することができ、所望のタイミングで成形型５０と光学素子成形素材を加熱することができるようになっている。

また、下側の加熱プレート３ｂは、チャンバー２に固定する際に、上側と同様にそのまま熱が伝わることのないようにこのプレート側に断熱板３ｃを有し、さらに冷却板１２を介して底板に固定されている。

本発明のプレス成形ステージ４は、上下のプレスプレート４ｂ間の距離を狭めることにより成形型５０の上型と下型との距離を狭めて、成形型５０内に収容された光学素子成形素材を軟化状態のまま押圧して変形させ、上型及び下型の光学形成面形状を光学素子成形素材に付与することにより光学素子の成形を行うものであり、その内部にヒータ４ａが埋め込まれた上下一対のプレスプレート４ｂから構成されるものである。このプレスプレート４ｂを用いたプレスは前段階の加熱温度を維持しながら行われるものである。

より具体的には、このプレス成形ステージ４において、下側のプレスプレート４ｂはチャンバー２の底板に固定されており、上側のプレスプレート４ｂは上下移動が可能なようになっている。上側のプレスプレート４ｂは、プレスプレート４ｂ自体の熱をそのまま伝えないように断熱板４ｃを介してシャフト４ｄと接続され、このシャフト４ｄは図示しないシリンダーによってプレスプレート４ｂを上下移動可能としている。このようにプレスプレート４ｂを上下移動可能とすることにより、この上側のプレスプレート４ｂを下降させ、下側のプレスプレート４ｂに載置された成形型５０を用いたプレス成形を行うことができる。このときプレス成形を所定の圧力で行うことができるようになっており、光学素子成形素材に高精度に光学素子形状を付与することができる。

また、下側のプレスプレート４ｂは、上記加熱プレート３ｂと同様に、チャンバー２の底板上に固定するに際し、断熱板４ｃ及び冷却板１２を介して底板に固定されており、下側のプレスプレート４ｂの熱をチャンバー２に伝達しないように構成されている。

本発明の冷却ステージ５は、成形型５０を冷却することにより光学素子形状が付与された光学素子成形素材を冷却、固化するものであり、その内部に、ヒータ５ａが埋め込まれた上下一対の冷却プレート５ｂから構成されるものである。この冷却プレート５ｂは、上下一対の冷却プレート５ｂを成形型の上型、下型にそれぞれ接触させることにより、上型及び下型を冷却することができ、さらに成形型内部に収容されている光学素子成形素材をも冷却することができるようになっている。

より具体的には、この冷却ステージ５において、下側の冷却プレート５ｂはチャンバー２の底板に固定されており、上側の冷却プレート５ｂは上下移動が可能なようになっている。上側の冷却プレート５ｂは、冷却プレート５ｂ自体の熱をそのまま伝えないように断熱板５ｃを介してシャフト５ｄと接続され、このシャフト５ｄは図示しないシリンダーによって冷却プレート５ｂを上下移動可能としている。このように、冷却プレート５ｂを上下移動可能とすることにより、この上側の冷却プレート５ｂの成形型５０の上型への接触・非接触を制御することができ、所望のタイミングで成形型５０と光学素子成形素材を冷却することができるようになっている。

また、下側の冷却プレート５ｂは、上記加熱プレート３ｂと同様に、チャンバー２の底板上に固定するに際し、断熱板５ｃ及び冷却板１２を介して固定されており、下側の冷却プレート５ｂの熱をチャンバー２に伝達しないように構成されている。

なお、ここでの光学素子成形素材の固化は、その素材のガラス転移点以下、より好ましくは歪点以下に冷却すればよく、十分に冷却されると光学素子成形素材の光学素子形状は安定し、変形が抑制される。ここでの冷却とは、光学素子形状を安定して付与することができるように光学素子成形素材を固化する温度まで下げることをいい、その温度は、プレスプレートよりも５０〜１５０℃程度低いだけで、依然として高温であるため、この冷却プレート５ｂにもその内部にヒータ５ａが埋め込まれている。

また、これら各ステージの上側の加熱プレート３ｂ、プレスプレート４ｂ及び冷却プレート５ｂは、上記したように断熱板を介してシャフトに固定されており、このシャフトがシリンダーに接続されているが、ここでシリンダーは、各プレートを上下動させることができればよく、例えば、電動サーボシリンダー、エアシリンダー、油圧シリンダー、電動油圧シリンダー等のシリンダーを用いることができる。

上記した、加熱プレート３ｂ、プレスプレート４ｂ、冷却プレート５ｂは、その成形型との接触面が水平面と平行になっており、特に、プレスプレート４ｂにおいては、プレスプレート４ｂの成形型との接触面が傾いていた場合、成形型５０の上型及び下型の中心軸が一致しなくなり、このとき製造される光学素子が、その光軸が一致せず不良品となってしまうことがある。したがって、これら各ステージにおけるプレートの平行度や平面度の管理は厳密に行われるものである。

これらの各ステージにおけるプレートはステンレス、超硬合金、合金鋼等の素材の内部にカートリッジヒータを挿入し、固定したものであり、カートリッジヒータを加熱することによりプレートの温度を上昇させ、所望の温度に維持することができるようになっている。

また、各ステージの断熱板３ｃ，４ｃ，５ｃは、セラミックス、ステンレス、ダイス鋼、ハイス鋼等の公知の断熱板を用いればよく、硬度が高くプレス成形時の圧力等によっても変形しにくく、ずれを生じることが少ないセラミックスであることが好ましい。ステンレス、ダイス鋼、ハイス鋼など金属系材料を用いる場合は、表面に酸化防止膜のコーティングを施すことが好ましく、具体的にはＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮなどのコーティング処理を施したものが挙げられる。

さらに、冷却板１２は、ステンレス等の板状体の内部に、その全体が冷却されるように配管が設けられており、この配管内に冷却媒体を循環させて板状体を冷却し、この板状体に接触する断熱板及びチャンバー２をも冷却することができるようになっている。この冷却板として、図１にはチャンバーの底板全体を覆う一枚板の冷却板を示したが、成形型の移動方向に対して複数枚に分割され並べられて配置させるようにしてもよく、分割して設けた場合にはチャンバーの変形を抑制することができる。

この冷却板は、その内部に冷却板全面を冷却することができるように配管が設けられており、例えば、内径６〜１２ｍｍの配管に冷却媒体として、１５〜２４℃の冷却水を流通させる構成とすることができる。この冷却水は、冷却水循環装置（チラー）により、循環させながら冷却するようにすることが好ましい。

なお、各ステージのプレートは、図１に示したような構成となっており、その内部にカートリッジヒータが３本貫通して構成されているが、これは一例であって、ヒーターカートリッジの本数、形状、出力等は適宜変更して、形成する光学素子のプレス成形に適した条件のものとすればよい。

不活性ガス供給手段８は、不活性ガスをチャンバー２内に送り込んで、チャンバー２内を不活性ガス雰囲気とするものである。ここで、この不活性ガス供給手段８は、そのチャンバー２内部を十分に不活性ガス雰囲気とすることができる量のガスを供給することができるようにすればよい。チャンバー２が半密閉状態の容器である場合には、成形操作の間中、ずっとこの不活性ガス供給手段８から不活性ガスを供給し続け、容器内を陽圧にしながら不活性ガスで満たされた状態を継続して作ることができるようにする。本発明においては、その供給時における不活性ガス供給手段８の供給口における流速を１ｍ／ｓ以下とすることを可能とするものである。ここで流速は好ましくは、０．１〜０．５ｍ／ｓである。

このような流速にして不活性ガスを供給するには、不活性ガス供給手段８の配管の径を大きいものとしたり、配管からチャンバー２内へ拡散して供給するように供給口を複数個所設けたり、供給口近辺の材質を焼結金属等のように多孔質の材料により形成して多方向に放出、拡散することができるようにしたり、不活性ガス供給手段８自体を複数個設けて供給するようにしたり、することでチャンバー内の不活性ガス供給口における流速を下げることができる。それに加えて、不活性ガス供給手段８により、必要とされる不活性ガスの供給量を確保した上で上記の流速となるように調整することができるようになっている。

このように不活性ガスのチャンバー２内への供給時の流速を制限することにより、チャンバー２内での気流が不必要に生じることのないようにし、そのため、成形型がその気流によって不必要に冷却されることがなくなり、成形型内に温度分布が生じず、かつ成形型の温度が安定するものと考えられる。そして、このように成形型内に温度分布が生じず、かつ成形型の温度が安定することにより、プレス成形操作において、光学素子の形状精度が向上し、ひいては歩留まりが向上する。なお、このとき、用いることのできる不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、ネオンガス等が挙げられる。

次に、熱遮蔽板９は、チャンバー２内の気流を整えるのと同時に成形型５０の加熱状態を均一にするのを補助する機能を有するものである。この熱遮蔽板９は、チャンバー２の側面板と平行になるように、かつ、チャンバー２と複数組のプレート３ｂ〜５ｂからなるプレート列間に設けられるものである。このとき、プレート３ｂ〜５ｂからなるプレート列は、操作上の容易さからチャンバー２のプレート３ｂ〜５ｂからなるプレート列を挟んで対向する側面板の一方の側に近づけて配設されているもので、そのプレート３ｂ〜５ｂからなるプレート列とチャンバー２の他方の側面板との間に、熱遮蔽板９が設けられるものである。

すなわち、図３の取入れ口側から見た図において説明すると、加熱プレート３ｂ（プレスプレート４ｂ，冷却プレート５ｂは３ｂの後ろに隠れている）とチャンバー２の一方の側面板２ａ間の間隔をＤ１、加熱プレート３ｂとチャンバー２の他方の側面板２ｂ間の間隔をＤ２としたとき、加熱プレート３ｂは、例えば、一方の側面板２ａ側に近づけて配設され、Ｄ１＜Ｄ２の距離関係が成り立っている。このようにＤ１，Ｄ２が異なる場合には、その間隔の大きい方Ｄ２側において、熱遮蔽板９をチャンバー２の上面板２ｃに固定して設けられる。

また、このとき、熱遮蔽板９と加熱プレート３ｂとの間隔をＤ３としたとき、Ｄ３とＤ１とが同程度の間隔となる位置に設けられることがチャンバー２内における輻射熱等の成形型への影響をプレート列の左右差を小さくすることができる点で好ましく、等間隔であることが特に好ましい。このようにすると、成形型５０の搬送方向に対して左右に存在する板との距離差が小さくなるため、成形型５０の周囲の熱的雰囲気をより安定化させることができ、成形型５０の加熱状態も均一にすることができる。なお、ここで同程度の間隔とは、Ｄ１とＤ３との差が±５％の範囲にあることをいう。

また、このとき、上記の不活性ガス供給手段８のガス供給口を、熱遮蔽板９と側面板２ｂとの間に設けることによって、送り込まれる不活性ガスにより生じる気流が成形型５０へ影響を与えないようにすることをより万全にすることができ、好ましい。

このとき、熱遮蔽板９は、複数組のプレート３ｂ〜５ｂの全てに対してその側面に設けるものである。また、そのときの熱遮蔽板９は、チャンバー２の上面２ｃとは隙間なく接合されるものである。一方、チャンバー２の底面２ｄとは、間隔を設けるようにして不活性ガスがチャンバー２内を十分に満たすことができるようになっている。

このとき、熱遮蔽板９の下端は、成形型５０の下端（複数組のプレート３ｂ〜５ｂの上端）の水平面よりも下方に位置するように設けられていることが、成形型５０の加熱状態を均一にする観点からは好ましい。この熱遮蔽板９の材質は、上記断熱板３ｃ〜５ｃの材質と同一のものを用いることができる。

また、このとき、複数組のプレート３ｂ〜５ｂの大きさが、成形型５０に対して十分に大きいと、成形型５０の均熱化に寄与できることもわかった。例えば、成形型５０の外周径を１と考えたときに、プレートの一辺の長さが１．５以上、好ましくは１．５〜２．０とすることが好ましい。特に、プレス成形直後の冷却プレート５ｂにおいて、このようなプレート形状とすると、得られる光学素子の形状精度を高いものとすることができ、歩留まり改善の観点からは有効である。

以上説明した加熱ステージ３、プレス成形ステージ４、冷却ステージ５は、それぞれ所定の処理が行われる場（ステージ）を形成するものであり、各ステージによる処理を順次円滑に行うことができるように、成形型５０は、搬送手段（図示せず）により所定のタイミングで各ステージに搭載されるように移動させる制御手段によって制御されている。

より具体的には、加熱プレート３ｂ、プレスプレート４ｂ、冷却プレート５ｂによる処理は、成形型５０を順次上記の順序で各プレート上へと搬送移動させながら所定の処理を行うものであり、成形型５０が次のステージに移動することで、処理の終わったステージは空くため、さらに、そこに別の光学素子成形素材を収容した成形型５０を搬送し、連続的に複数個の光学素子の成形操作を行うことができるようになっている。

この処理を行うための上記搬送手段は、図示していないが、例えば、ロボットアーム等により、成形型載置台１０から加熱プレート３ｂへ、加熱プレート３ｂからプレスプレート４ｂへ、プレスプレート４ｂから冷却プレート５ｂへ、冷却プレート５ｂから成形型載置台１１へ、と移動させることができるようになっている。

なお、この制御手段は、成形型の移動、加熱・プレス成形・冷却の各ステージにおける上下一対のプレートの温度や、上下移動のタイミング等をも制御し、一連の成形操作を円滑に、かつ、連続的に行うことができるように制御している。このとき、取入れシャッター及び取出しシャッターの開閉も制御する。また、チャンバー２内の雰囲気が不活性ガスで満たされるように不活性ガスの供給量やタイミング、供給口における不活性ガスの流速等を制御することが好ましい。

すなわち、この光学素子の成形装置１は、１以上のポジションで温度の上げ下げを行いながら所定の処理を行う、成形型の搬送による光学素子の成形装置である。

次に、この光学素子の成形装置１を用いた光学素子の成形方法について説明する。

まず、取入れ口側の成形型載置台１０に成形型５０を載置し、この成形型５０の内部に光学素子成形素材を収容する。取入れシャッター６を開けて取入れ口を開口させ、この成形型５０を搬送手段により加熱プレート３ｂ上に搬送する。搬送されると、成形型５０の下型は下側の加熱プレート３ｂに接触するため加熱プレート３ｂと同じ温度まで昇温される。これと同時に、上型には上方向から上側の加熱プレート３ｂを接触させて同様に加熱する。

このように上型及び下型が加熱されると、その内部に収容されている光学素子成形素材も加熱され、この光学素子成形素材は屈伏点以上に加熱されると変形が容易となる。一般に、加熱温度は、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。このとき、昇温速度は０．５〜２．５℃／ｓｅｃ程度にすることが好ましい。

このようにして加熱ステージ３で十分に加熱された成形型５０及び光学素子成形素材は、搬送手段により、下側のプレスプレート４ｂ上に搬送され載置される。

プレスプレート４ｂも加熱プレート３ｂと同程度の温度に加熱されており、光学素子成形素材が軟化状態を維持するようにしている。さらに、上側のプレスプレート４ｂを下降させてプレスプレート４ｂ間の距離を狭めることにより、上型と下型との距離を狭めて、成形型５０の内部に収容された光学素子成形素材に圧力をかけて変形することができるようになっている。

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

また、このプレス工程におけるプレスは、加熱温度が前段の加熱ステージで加熱した温度と同程度の温度であり、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とすることが特に好ましい。

そして、このようなプレス工程を行うことで、押切りが完了した成形型５０は、搬送手段によりプレスプレート４ｂから冷却プレート５ｂへと搬送される。この搬送手段は、上記した搬送手段と同様のものである。

次に、冷却プレート５ｂにより成形型５０を冷却するが、これは、上記加熱工程と同様に、下型は下側の冷却プレート５ｂで、上型は上側の冷却プレート５ｂを下降させて接触させることで冷却する。これにより光学素子成形素材を冷却して、固化させる。この冷却は、光学素子成形素材のガラス転移点（Ｔｇ）以下に冷却させることが好ましく、光学素子成形素材の歪点以下の温度にまで冷却させることがより好ましい。このとき、降温速度は０．１〜２．５℃／ｓｅｃにすることが好ましく、さらに好ましくは０．５〜１．０℃／ｓｅｃである。

このようにして冷却、固化して得られた光学素子は、必要に応じて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、さらに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、反射防止コート等を施して最終的な製品とされる。

〔第２の実施形態〕
なお、第１の実施形態で記載した加熱工程及び冷却工程は、それぞれ段階的に温度を変化させるようにして行うことが好ましく、加熱工程を１以上の加熱ステージを設けて行うことにより、段階的に光学素子成形素材の温度を上昇させて、プレス成形ステージの直前の加熱ステージにおいて、成形温度にまでもっていくようにすることが好ましい。また、冷却工程においても１以上の冷却ステージを設けることにより、段階的に光学素子成形素材の温度を下降させて、２００℃以下の温度になるようにすることが好ましい。このように、加熱及び冷却を段階的に行うことで、光学素子成形素材の急激な温度変化を抑制し、歪が生じたり、面ワレ等が生じたりする等の光学素子の特性を悪化させることがないようにすることができる。ここで面ワレとは、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。

このような、加熱工程及び冷却工程を実施するために、それぞれ複数の加熱ステージ及び冷却ステージを用いた光学素子の成形装置の一例を図４に示した。この図４に示した光学素子の成形装置２１は、チャンバー２２、第１の加熱ステージ２３、第２の加熱ステージ２４、第３の加熱ステージ２５、プレス成形ステージ２６、第１の冷却ステージ２７、第２の冷却ステージ２８、第３の冷却ステージ２９を有する装置構成となっており、チャンバー２２には光学素子の成形装置１と同様に、成形型５０の取入れ口とそれを開閉可能とする取入れシャッター３０、取出し口とそれを開閉可能とする取出しシャッター３１が設けられている。

また、このチャンバー２２内を不活性ガス雰囲気にするための不活性ガス供給手段３２が、チャンバー２２内には、成形型５０の温度を均一化するために熱遮蔽板３３が設けられている。

この光学素子の成形装置２１は、加熱ステージを３つ、冷却ステージを３つ設けて、段階的に加熱及び冷却を行うようにしたこと以外は、図１の光学素子の成形装置１の構成と同様である。なお、断熱板２３ｃ〜２９ｃとチャンバー２２との間には、内部に冷却水が循環した一枚板の冷却板３６が設けられている。

第１の加熱ステージ２３では、光学素子成形素材をガラス転移点以下、２００〜４００℃程度低い温度に一旦加熱する予備加熱を行い、第２の加熱ステージ２４ではガラス転移点付近の温度にまで、第３の加熱ステージ２５では屈伏点＋１０〜３０℃の温度にまで加熱する。また、プレス成形ステージ２６では成形温度を維持しながら、成形型による成形操作を行い光学素子形状を付与し、第１の冷却ステージ２７では成形素材のガラス転移点＋２０℃程度まで冷却し、第２の冷却ステージ２８では、さらに歪点以下にまで冷却し、第３の冷却ステージ２９では、成形型が酸化されない２００℃以下の温度にまで冷却するようにする。

ここで、第３の冷却ステージは、用いるプレート２９ｂを、他のステージにおけるヒータの代わりに冷却水が循環するように配管を設けた水冷プレート２９ｂとすることで、効率的に冷却することができるようになっている。

この光学素子の成形装置２１において、特に成形型温度の均一化が求められるのは、光学素子を冷却する冷却ステージであり、光学素子の冷却を一様にすることによって、その冷却速度の差による光学素子内部に生じる歪や、離型が不良になることを抑制し、得られる光学素子の形状や特性を向上させるものである。特に、第１の冷却プレート２７ｂでの冷却が光学素子の特性に影響を大きく与えるものである。

〔第３の実施形態〕
本実施形態に係る光学素子の成形装置は、図５に示した構成からなり、この光学素子の成形装置４１は、加熱ステージを３つ、冷却ステージを３つ設けて、段階的に加熱及び冷却を行うようにし、チャンバー２２内で第３の冷却ステージ２９を隔離する隔離室形成板４２を設けたこと以外は、図４の光学素子の成形装置２１の構成と同様である。

ここで、第３の冷却ステージは水冷による冷却を行う手段であるため温度が低く、これによりチャンバー内の雰囲気に温度分布が生じ成形型内の温度分布が不均一になると考えられる。そこで、本実施形態においては、水冷を行う第３の冷却ステージ２９をチャンバー２２内で、他のステージと隔離するように、第２の冷却ステージ２８と第３の冷却ステージ２９との間に隔離室形成板４２を設けて、第３の冷却ステージの温度の影響を他のステージに及ぼさないようにしたものである。

なお、隔離室形成板４２には、その一部に成形型５０が通過することができる開口部４２ａが設けられており、第２の冷却ステージで冷却された成形型５０を第３の冷却ステージに移送する際に、この開口部４２ａを用いて円滑に処理を行うことができるようにしている。

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４の光学素子の成形装置２１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の成形装置２１は、下側の加熱プレート、プレスプレート及び冷却プレートとして、タングステンカーバイド製の１００×７８×１８ｍｍの直方体で内部に１０００Ｗのカートリッジヒータを３本有するプレートを用い、断熱板として、ＳＵＳ３０４製の１００×７８×９ｍｍの板状体とジルコニア製の１００×７８×９ｍｍの板状体を重ね合わせたものを用いた。
また、上側の加熱プレート、プレスプレート及び冷却プレートとして、タングステンカーバイド製の１００×６４×１８ｍｍの直方体で内部に１０００Ｗのカートリッジヒータを３本有するプレートを用い、断熱板として、ＳＵＳ３０４製の１００×６４×９ｍｍの板状体とジルコニア製の１００×６４×９ｍｍの板状体を重ね合わせたものを用いた。
なお、第３の冷却プレートには、カートリッジヒータの代わりに冷却水を循環させるようにして水冷を行うことができるようにした。

また、上側のプレートを上下移動させるシリンダーは、エアシリンダーを用い、シャフト径４０ｍｍのシャフトが上側のプレートと接続、固定されている。チャンバーはＳＳ４００製で内部寸法が３５０×５９２×２４０ｍｍの箱状で、このチャンバーの下板としては４４０×５９２×２０ｍｍのものを用いた。また、下側のプレート列と側面板との距離Ｄ１は１００ｍｍ、Ｄ２は１５０ｍｍであり、プレート列と熱遮蔽板との距離Ｄ３はＤ１と同じ１００ｍｍとした。

窒素ガス供給手段としては、内径φ１２ｍｍのステンレス製の配管からチャンバー内における供給口として配管の側面に直径７．９５ｍｍ、高さ１０．５ｍｍの焼結金属（ステンレス製）を６個設けたものを２つ用いた。

また、成形型５０は、上型、下型並びに内胴及び外胴を有する胴型で構成され、上型、下型及び内胴はタングステンカーバイドからなる超硬合金製で、外胴はＳＵＳからなるものであり、プレス成形により、直径φ４０ｍｍ、中心厚さ７．５ｍｍ、周辺厚さ３ｍｍ非球面の近似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を用いた。

この成形型の下型の成形面にホウケイ酸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。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。

チャンバー内に、不活性ガス供給手段から窒素ガスを１０５Ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。このとき、窒素ガスは多孔質性の焼結金属から四方八方に拡散しながら供給され、このときの供給口における流速の最大値は１ｍ／ｓであった。

光学素子成形素材を収容した成形型５０を、搬送手段により第１の加熱プレート２３ｂ上に搬送し載置すると同時に上側の第１の加熱プレート２３ｂを下降させて上型に接触させ、成形型５０及び光学素子成形素材を３００秒間加熱し、次いで、第２の加熱プレート２４ｂ上に搬送し載置すると同時に上側の第２の加熱プレート２４ｂを下降させて上型に接触させ、成形型５０及び光学素子成形素材を３００秒間加熱し、さらに、下側の第３の加熱プレート２５ｂ上に搬送し載置すると同時に上側の第３の加熱プレート２５ｂを下降させて上型に接触させ、成形型５０及び光学素子成形素材を３００秒間加熱して光学素子成形素材を軟化状態とした。なお、第１の加熱プレート２３ｂは２８０℃、第２の加熱プレート２４ｂは５００℃、第３の加熱プレート２５ｂは６００℃に設定した。

次に、成形型５０をプレスプレート２６ｂ上に搬送し載置して、上側のプレスプレート２６ｂを下降させ、プレスした。この成形時のプレス圧力は５Ｎ／ｍｍ^２、プレス時間は２５０秒とした。このとき、プレスプレート２６ｂの温度は６００℃であった。

プレス後、成形型を第１の冷却プレート２７ｂ上に搬送し載置すると同時に上側の冷却プレート２７ｂを下降させて上型に接触させ、３００秒間冷却し、次いで、成形型を第２の冷却プレート２８ｂ上に搬送し裁置すると同時に上側の第２の冷却プレート２８ｂを下降させて上型に接触させ、３００秒間冷却し、さらに、成形型を第３の冷却プレート２９ｂ上に搬送し載置すると同時に上側の第３の冷却プレート２９ｂを下降させて上型に接触させ、３００秒間冷却した。このとき、第１の冷却プレート２７ｂは５５０℃、第２の冷却プレート２８ｂは ４５０℃、第３の冷却プレート２９ｂは２０℃（冷却水温度）に設定した。

光学素子成形素材を室温になるまで冷却し、十分に冷却したところで、成形型から取り出し、光学素子を得た。

（比較例１）
図４の光学素子の成形装置２１において、熱遮蔽板を設けず、窒素ガス供給手段として、チャンバーへ窒素ガスを供給するために設置されている穴径１２ｍｍの２つの窒素ガス導入口から１０５Ｌ／ｍｉｎの窒素ガスをチャンバー内に供給した以外は、実施例１と同様の操作により光学素子を製造した。なお、このときの供給口における流速の最大値は２１ｍ／ｓであった。

（実施例２）
実施例１で用いた光学素子の成形装置２１において、第１の冷却プレート２７ｂの上側プレートと第２の冷却プレート２８ｂの上側プレートをタングステンカーバイド製の１００×７８×１８ｍｍの直方体で内部に１０００Ｗのカートリッジヒータを３本有するプレートとし、断熱板として、ＳＵＳ３０４製の１００×７８×９ｍｍの板状体とジルコニア製の１００×７８×９ｍｍの板状体を重ね合わせたものとした成形装置を用いた以外は、実施例１と同様の操作により光学素子を製造した。

（実施例３）
実施例２で用いた光学素子の成形装置において、第３の冷却ステージ２９を隔離する隔離室形成板４２を設けた成形装置を用いた以外は、実施例２と同様の操作により光学素子を製造した。なお、このとき開口部４２ａは７５×７５ｍｍの大きさで設けた。

（試験例）
実施例及び比較例で得られた光学素子の形状について、設計値との誤差およびアスティグマの値をＵＡ３Ｐ（パナソニック株式会社製、商品名）にて調べた。設計値との誤差について得られた結果を、図６（実施例１）、図７（実施例２）、図８（実施例３）、図９（比較例１）に示した。ここで言う設計値との誤差とは、設計値から球面（曲率）成分を除いた誤差を示し、レンズ中心を基準に十字方向に測定したデータである。なお、このとき測定した十字方向は、光学素子の成形操作において、成形型の搬送方向と（搬送方向に対する）左右方向に合うように測定を行った。

この結果から、従来例である比較例１に対して、熱遮蔽板を設け、窒素の供給口における流速を制御した実施例１では、光学素子の前後方向及び搬送方向において形状の非対称性が改善されており、さらに、第１の冷却プレートと第２の冷却プレートの上側プレート形状を変更した実施例２においては、実施例１よりもさらに光学素子の非対称性形及びアスティグマ等の形状不良が生じることを抑制し、成形する光学素子の形状精度が大幅に改善されていることが確認できた。
さらに、隔離室形成板により第３の冷却ステージを隔離した実施例３においては、実施例２よりもさらに光学素子の非対称性形及びアスティグマ等の形状不良が生じることを抑制し、成形する光学素子の形状精度が大幅に改善されていることが確認できた。

以上に示したように、本発明の光学素子の成形装置により、光学素子の製造における成形型の温度を不安定にする要因を排除し、成形型内の温度分布を減らすことで、光学素子形状が安定化し、歩留まりを向上させることができることがわかった。

本発明の光学素子の成形装置は、成形型を順次移動させながらプレス成形により連続的に光学素子を製造する際に用いることができる。

１…光学素子の成形装置、２…チャンバー、３…加熱ステージ、４…プレス成形ステージ、５…冷却ステージ、６…取入れシャッター、７…取出しシャッター、８…不活性ガス供給手段、９…熱遮蔽板、１０，１１…成形型載置台、１２…冷却板、５０…成形型、３ａ，４ａ，５ａ…ヒータ、３ｂ…加熱プレート、４ｂ…プレスプレート、５ｂ…冷却プレート、３ｃ，４ｃ，５ｃ…断熱板、３ｄ，４ｄ，５ｄ…シャフト

Claims (7)

1. 上型と下型の間に光学素子成形素材が置かれた成形型を、チャンバー内に設けた加熱、プレス成形及び冷却の各ステージへ順次搬送して光学素子を成形する光学素子の成形装置であって、
   前記成形装置は、前記加熱、プレス成形及び冷却の各ステージにおいて前記成形型を搭載し、搭載された前記成形型に対して、それぞれ加熱、プレス成形及び冷却の各プロセスを行う上下一対の複数組のプレートからなるプレート列と、前記各組における一対のプレートを接近又は離間させて加熱、プレス成形及び冷却のプロセスをそれぞれ行わせる駆動手段と、各プロセス及び前記成形型の搬送を制御する制御手段と、前記チャンバー内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、を備えるとともに、
   前記プレート列は、前記チャンバーの前記プレート列を挟んで対向する側面板の一方の側に近づけて配設されており、前記チャンバーの側面板の他方の側と前記プレート列間には、前記プレート列近傍の気流を調整し、かつプレート列とプレート列に近い側の側面板との間隔と同程度に設けられてプレート列周辺の熱的雰囲気を調整する熱遮蔽板が配設されていることを特徴とする光学素子の成形装置。
2. 前記熱遮蔽板と前記プレート列間の間隔は、前記チャンバーの側面板の一方の側と前記プレート列間の間隔と等間隔であ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. 前記不活性ガス供給手段の供給口における流速を、１ｍ／ｓ以下となるように制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子の成形装置。
4. 前記不活性ガス供給手段の供給口が、多孔質性の焼結金属で形成されてい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. 不活性ガス供給手段は、前記チャンバーの側面板の他方の側と前記熱遮蔽板間に配設されてい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. 前記冷却ステージにおいて、冷却用の一組のプレートを段階的に温度を下げていくように複数組の冷却用のプレートを設け、かつその最後の冷却用のプレートには水冷プレートを用い、
   該水冷プレートとその前段の冷却用のプレートとの間に、前記成形型を通過させることができる移動用の開口部を有する断熱板を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の光学素子の成形装置。
7. 前記冷却ステージにおけるプレートの一辺の長さが、前記成形型の外周径に対して、１．５〜２倍であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の光学素子の成形装置。

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