JP2012076952A - 光学素子の成形装置及び成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、成形装置の熱変形を有効に抑制し、この熱変形を抑制することによって、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材が置かれた成形型８０を、チャンバー２内に設けた加熱、プレス成形及び冷却の各ステージ３，４，５へ順次搬送して光学素子を成形する成形装置であって、加熱、プレス成形及び冷却の各ステージにおいて成形型８０を搭載し、搭載された成形型８０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３ｂ，４ｂ，５ｂと、加熱、プレス成形及び冷却の各プロセスを制御する制御手段と、を備え、上側のプレスプレート４ｂが、それを上下動させるシャフト４ｄと、シャフト４ｄの動作時に生じる水平方向の力に応じてプレスプレート４ｂを水平方向へ移動させる水平移動手段４ｅを介して接続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、形状精度の高い光学素子を連続的に製造可能な成形装置及び成形方法に係り、特に、プレス成形時において、成形型の型ズレを抑制し、所定の光学素子形状とする光学素子の成形装置及び成形方法に関する。

近年、成形型内に収容した光学素材を、加熱軟化させてプレス成形し、光学素子を高精度に製造する方法が一般化する中、製造コストを低減するために、成形型を各処理ステージに搬送させ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）。ここで、光学素材は光学素子とする成形用の素材をいう。

これら光学素子の製造装置において、光学素材の加熱軟化時とプレス成形時には、成形型を所定の温度にまで加熱して、成形素材を加工するのに十分な軟化温度を維持し、成形後は、光学素材を冷却して固化させ、最終的には、成形型が酸化されないような２００℃以下の温度にまで冷却する。上記のように、プレス成形時に成形型の成形面の形状を正確に成形素材に転写して、これを冷却、固化させることで成形形状を保持し、形状精度の高い光学素子が得られる。

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

しかしながら、プレス成形時に生じる僅かな形状誤差によって光学素子に求められる性能に達しない場合があり、より形状精度の高い光学素子を得るために、さらなる形状精度の向上が検討されている。

本発明者らは、鋭意検討した結果、従来の光学素子の製造において、プレス成形の際に、成形型のプレスプレートとの接触面に、上下方向の力の他に、水平方向にも力が働く場合があり、このような水平方向の力は、成形型の上型と下型の位置をずらして、得られる光学素子にディセンタやチルトを生じさせ、これにより、成形される光学素子の形状にズレが生じ、歩留まりを低下させるとの知見を得た。

すなわち、成形型のプレスプレートとの接触面と、プレスプレートを上下動させるプレス軸と、が完全に垂直に交わっていない場合、プレス操作によりプレスプレートを上下動させると、プレスプレートによって成形型にかかる力が上下方向の力だけではなく、水平方向への力をも生じさせるのである。

このとき、成形型にかかる力を図５に模式的に示した。図５には、プレスプレート１０４ｂと、プレスプレート１０４ｂを保持し、上下動させるシャフト１０４ｄと、プレスプレート１０４ｂによりプレス圧力をかけられる光学素子の成形型８０を示した。プレスプレート１０４ｂは、その成形型８０の押圧面（接触面）が水平となるように調整される。シャフト１０４ｄは、プレスプレート１０４ｂを鉛直方向に上下動させるようになっており、このシャフト１０４ｄのシャフト軸が鉛直方向と一致している場合には、プレス成形した際にも成形型８０には鉛直方向の力のみがかかって押圧される。ところが、シャフト軸を厳密に鉛直方向に一致させることは困難で、多少のずれが生じてしまう場合がある。そのような場合には、プレスプレート４ｂと直接接触する成形型８０の上型には、図５（ａ）の矢印（実線）で示したような斜め方向に力がかかり、矢印（破線）で示したように鉛直方向だけでなく水平方向にも力が生じることとなる。

このような水平方向への力が生じると、プレスプレート１０４ｂは接触している成形型（上型）をプレスしながら水平方向へ移動させる力が加わり、この力が一定以上の大きさとなった場合、プレスプレート１０４ｂと接触している成形型（上型）が水平方向に引きずられ、成形型における上型及び下型の中心軸がズレたり、中心軸が傾斜することで、得られる光学素子の上下面にディセンタ又はチルトが発生する。

より高精度の光学素子が求められる近年においては、このプレス成形時に生じる微妙なズレが製品の求められる性能に達しない原因となり、歩留まりを低下させていた。

本発明は、上記の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、プレス成形時に生じる光学素子の変形を効果的に抑制し、これにより、高精度の光学素子を歩留まり良く製造できる光学素子の製造装置及び製造方法の提供を目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、本発明の光学素子の成形装置及び製造方法により、上記問題を解決できることを見出し、本発明を完成した。

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と、前記加熱、プレス成形及び冷却の各プロセスを制御する制御手段と、を備えるとともに、前記プレス成形ステージにおける上側のプレスプレートが、該プレスプレートを上下動させるシャフトと、前記シャフトの動作時に前記プレスプレートと前記成形型との接触により生じる水平方向の力に応じて前記プレスプレートを水平方向へ移動させる水平移動手段を介して接続されていることを特徴とする。

また、本発明の光学素子の成形方法は、上記の光学素子の成形装置を用い、前記成形型に光学素材を収容し、前記成形型を加熱して該成形型内の光学素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素材を、プレス手段を用いて前記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、前記成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学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、プレス成形ステージにおける上側のプレスプレートを該プレスプレートを上下動させるシャフトにより前記成形型に接近させて密接させ、さらに、前記シャフトの動作時に前記プレスプレートと前記成形型との接触により生じる水平方向の力に応じて前記プレスプレートを水平方向へ移動させてプレス成形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成形方法によれば、プレス成形時において、プレスシャフトの軸が鉛直方向に厳密に一致していないことに起因する成形型のズレが生じないため、成形された光学素子のディセンタ及びチルトの発生を抑制できる。したがって、所望の形状を有する光学素子を高い歩留まりで製造できる。

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の成形装置に用いたプレス成形ステージにおける水平移動手段の断面図である。 図２の水平移動手段が作用した場合の概念図である。 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。 従来のプレス成形時において、シャフト軸が鉛直方向とずれている場合に成形型にかかる力及びプレスプレートの動作を示した概念図である。

以下、本発明を詳細に説明する。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図である（チャンバー２のみ断面で示している）。

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、光学素材を収容した成形型を加熱して光学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を付与された光学素材を冷却する冷却ステージ５と、を有する。

ここで、成形室であるチャンバー２は、その内部において、光学素子を成形操作する場を提供する。このチャンバー２には、光学素子の成形型８０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８０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し、成形型８０をチャンバー２から出し入れでき、チャンバー２内の雰囲気が維持される。また、この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８０を載置できる成形型載置台８及び９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する。実際には、光学素材を収容した成形型８０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８０は、取出し口からチャンバー２の外部に取出される。

このチャンバー２の内部は、光学素材を軟化し、変形を容易にするため、高温に加熱されるので、成形型８０が酸化されないように、窒素等の不活性ガス雰囲気に維持されている。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して達成できるが、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し高温下におけるガス、不純物が析出しない素材が好ましい。

次に、本発明の成形操作する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８０は、一般に、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を合わせる胴型を有する。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８０は、タングステンカーバイドやセラミックス等の素材で構成され、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、これをＳＵＳ３１６Ｌ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８０に収容された光学素材を軟化させ、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を有する。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でき、さらに成形型内部に収容されている光学素材も加熱できる。

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、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を上下に移動できる。このように、加熱プレート３ｂを上下に移動させることで、この上側の加熱プレート３ｂと成形型８０の上型との接触・非接触を制御でき、所定のタイミングで成形型８０と光学素材を加熱できる。

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８０の上型と下型との距離を狭めて、成形型８０内に収容された光学素材を軟化状態のまま押圧して変形させ、上型及び下型の有する光学形成面形状を光学素材に転写し光学素子を成形するもので、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。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。

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は下側のプレスプレート４ｂ自体の熱をチャンバー２に伝達しないように断熱板４ｃを介してチャンバー２の底板に固定されており、上側のプレスプレート４ｂは、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を上下に移動できる。このようにプレスプレート４ｂを上下に移動させることにより、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８０を用いたプレス成形ができる。このときプレス成形は所定の圧力で行われ、光学素材に高精度に光学素子形状を付与できる。

本発明の冷却ステージ５は、成形型８０を冷却して光学素子形状が付与された光学素材を冷却、固化する、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。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でき、さらに成形型内部に収容されている光学素材も冷却できる。

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は下側の冷却プレート５ｂ自体の熱をチャンバー２に伝達しないように、断熱板５ｃを介してチャンバー２の底板に固定されており、上側の冷却プレート５ｂは、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を上下に移動できる。このように、冷却プレート５ｂを上下に移動させることにより、この上側の冷却プレート５ｂと成形型８０の上型との接触・非接触を制御でき、所望のタイミングで成形型８０と光学素材を冷却できる。

この成形型に冷却プレート５ｂを接触させることによる光学素材の固化は、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材の光学素子形状は安定し、変形が抑制される。ここで冷却とは、光学素子形状を安定して付与できるように光学素材を固化させる温度をいい、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。

そして、本発明の光学素子の成形装置１の特徴部分は、上記したプレス成形ステージ４において、シャフト４ｄとプレスプレート４ｂの間に水平移動手段４ｅが設けられている点にある。以下、この水平移動手段４ｅについて、図２を参照しながら説明する。

この水平移動手段４ｅは、シャフト４ｄの先端に固定された転動体受け４１と、シャフト４ｄに取り付けられ水平移動可能に設けられた水平移動部材４２と、転動体受け４１と水平移動部材４２との間に設けられた複数の転動体４３と、転動体受け４１と水平移動部材４２とが転動体４３を所定の圧力で常時押圧するような弾性力を生じさせるコイルスプリング４４と、で構成されている。

転動体受け４１は、上下動するシャフト４ｄの下端部に固定され、その下面が平板状に形成されている。

この転動体受け４１は、そのシャフト４ｄとの接続部付近において、シャフト４ｄの直径よりも大きい円板状の部材とし、シャフト４ｄに対して水平面に伸びたフランジ状の突起部を有するように設ける。この突起部は、後述する水平移動部材４２との弾性力を生じさせるコイルスプリング４４を設けるスペースとなり、それに加えて、水平移動部材４２を下方から支えて、落ちないように保持する機能を有する。

水平移動部材４２は、シャフト４ｄに取り付けられ、該シャフト４ｄに対して、該シャフト４ｄの動作時にプレスプレート４ｂと成形型８０との接触により生じる水平方向の力に応じてプレスプレート４ｂを水平方向へ移動させるように設けられている。この水平移動部材４２は、シャフト４ｄに対して水平移動を許容しているため、シャフト４ｄに固定されておらず、転動体受け４１の突起部に係止部４２ｂが引っ掛かるように設けられており、実際には転動体受け４１の突起部と係止部４２ｂとの間にコイルスプリング４４が設けられ、その弾性力で保持されている。また、この水平移動部材４２は、転動体４３を介して転動体受け４１と常に一定の距離で保持されている。

この水平移動部材４２は、中空の柱状に形成され、その上部にシャフト４ｄを通すための円形の開口が形成されている。この開口は、シャフト４ｄの形状に沿って円形に形成されており、シャフト４ｄとは所定のクリアランスを有する大きさに形成されている。なお、この水平移動部材４２は中空の柱状であれば、その外形は特に制限されず、典型的な形状として円柱状、多角形状等の形状であればよい。

なお、水平移動部材４２のシャフト４ｄのための開口はそのまま係止部４２ｂを形成し、この係止部４２ｂの側面と、シャフト４ｄの側面との間に所定のクリアランスを有することが好ましい。このとき、所定のクリアランスを精度良く確保するために、シャフト４ｄの側面に固定できる環状部材を別部材として設けることで、開口側面とシャフト４ｄとのクリアランスをより適正にできるため好ましい。このクリアランスは、水平移動部材４２の揺動する際の最大移動距離を決定する。水平移動部材４２の最大移動距離は、シャフト４ｄの軸に対して径方向３６０度において２０μｍ以下が好ましく、２〜１２μｍ程度がより好ましい。

転動体４３は、転動体受け４１の下面と水平移動手段４２の内側底面との間に挟まれて設けられ、これらを互いに異なる方向へ水平移動可能とする部材である。より具体的には、転動体４３は、シャフト４ｄに対して、シャフト４ｄの上下動する動作時にプレスプレート４ｂと成形型８０との接触により生じる水平方向の力に応じて、水平移動部材４２を水平方向へ移動させる。

この転動体４３は、直径が均一な球状部材とすることが好ましい。転動体４３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（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス、又はタングステンカーバイド（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。

これらの素材からなる転動体４３は、上記したうち１種を用いて構成することが好ましいが、転動体受け４１と水平移動部材４２とを平行に保持された状態を維持でき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４３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４３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、真球状が最も好ましい。

この転動体４３による水平移動について、シャフト４ｄとプレスプレート４ｂとの摩擦係数をμ１とし、プレスプレート４ｂと成形型８０との摩擦係数をμ２としたとき、μ１＜μ２の関係を満たすことが重要である。この関係を満たす場合に、プレスプレート４ｂの水平方向への力が成形型にかかっても、成形型を移動させることなく、シャフト４ｄとプレスプレート４ｂとの位置が相対的にずれ、プレスプレート４ｂ自体は水平方向へ移動することがなく、成形型の上下がずれることもなくなる。なお、ここでいう摩擦係数はプレス温度におけるものである。

ここで、シャフト４ｄとプレスプレート４ｂとの摩擦係数は、実際には、断熱板４ｃ、水平移動手段４ｅがプレスプレートに固定されており、シャフト４ｄと水平移動手段４ｅとの摩擦係数のことを意味し、この摩擦係数μ１は、転動体４３により決定される。また、プレスプレート４ｂと成形型８０との摩擦係数は、これらに用いられる材質、表面処理を行っている場合は膜質により決定され、典型的には、タングステンカーバイド製のプレスプレート、成形型（上型）である場合には、μ２は高温環境では≒１である。

次に、コイルスプリング４４は、転動体受け４１と水平移動部材４２との間に弾性力を生じさせ、これら部材が転動体４３に常に所定の圧力で常時押圧するように保持して、この弾性力により必要に応じて水平移動を可能としている。例えば、プレス成形前後においてプレスプレートが成形型に接触していない場合には、シャフト４ｄが水平移動部材４２の開口部中央に位置するように保持する。その後、プレス成形時にプレスプレートが成形型と接触し、プレス圧力が生じた場合には、シャフト４ｄの軸が鉛直軸とはズレている場合、その度合いに応じてシャフト４ｄが水平方向に移動しようとするが、プレスプレートは成形型８０との接触により、これを水平方向に移動させようとすれば力が生じ、この力に応じて、水平移動部材４２がシャフト４ｄに対して水平方向へ移動する。

このような水平移動を可能とするための弾性力は、突起部４１ｂに引っ掛かっているヘッド（水平移動部材４２、断熱板４ｃ、プレスプレート４ｂ等）の質量によっても変わるため、適宜調節することが好ましい。例えば、この弾性力により支えるヘッドの質量が６ｋｇである場合には、弾性力が１０〜１０００Ｎとなるような条件が挙げられる。

この弾性力が強すぎると外部からの水平方向の力に抗して、水平移動部材４２が移動せずに成形型（上型）の位置を変えてしまう可能性があり、従来の課題を何ら解決しないため、成形型（上型）の位置を変えないようにヘッドの水平移動する条件を調節する。

コイルスプリング４４は、その複数個を転動体受け４１の突起部上部であってシャフト４ｄの周囲に均等に配置して、転動体受け４１と水平移動部材４２との間で生じる弾性力を均等にして、力の偏った方向を作らないようにする。このとき用いるコイルスプリング４４の個数は、３個以上であり、４個以上が好ましく、６個以上がより好ましい。

そして、上記した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。ここでシリンダーは、各プレートを上下動できればよく、例えば、電動サーボシリンダー、油圧シリンダー、電動油圧シリンダー等のシリンダーを使用できる。

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、基本的にその成形型との接触面が水平面と平行となっており、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ると、成形型８０の上型及び下型の中心軸が一致せず、得られる光学素子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管理は厳密に行われる。

それでも、なお、各プレートを上下動させるシャフトの軸までも鉛直方向に合わせることが困難であり、本発明はこのような問題点を解消するのに効果的である。ただし、あまりに傾斜していると、水平移動の許容範囲を超えてしまう。したがって、本発明においては、プレスプレート４ｂがそれぞれ水平に設けられている場合、シャフト軸の鉛直軸に対する傾きが１′以内とすることが好ましく、０．５′以内とすることがより好ましい。

これらの各ステージにおいて、プレートはステンレス、タングステンカーバイド、合金鋼等の素材の内部にカートリッジヒータを挿入し、固定しており、カートリッジヒータを加熱してプレートの温度を上昇させ、所望の温度に維持できる。

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、ズレを生じることが少ないセラミックスが好ましい。ダイス鋼、ハイス鋼を用いる場合は、表面にＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮのコーティング処理を施すことが好ましい。

水平移動手段４ｅに用いる素材は、耐熱性のある材料、例えば、ステンレス、タングステンカーバイド、合金鋼等が挙げられる。なお、スプリングコイル４４は、使用により弾性力の減衰が少ないことが求められ、ステンレス、チタン製耐熱合金、Ｎｉベースの耐熱合金（例、登録商標：インコネル、登録商標：ハステロイなど）の材料から構成されることが好ましい。

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）を形成し、各ステージによる処理が順次円滑になされるように制御手段によって制御されている。具体的には、この制御手段は、成形型８０を、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機能を有する。

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８０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い、成形型８０が次のステージに移動すると、処理の終わったステージは空くため、さらに、そこに別の光学素材を収容した成形型８０を搬送し、連続的に複数個の光学素子の成形操作が同時に行える。

この処理の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８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９へ、と移動できればよい。

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、連続的に行え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窒素の供給量やタイミング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する、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８に成形型８０を載置し、この成形型８０の内部に光学素材を収容する。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８０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８０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材も加熱され、この光学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５〜１５０℃／分が好ましい。

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８０及び光学素材は、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、光学素材が軟化状態を維持している。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８０の内部に収容された光学素材に圧力をかけて変形できる。

このとき、プレスプレート４ｂを上下動させるシャフト４ｄのシャフト軸が、鉛直方向と一致せず、プレスプレート４ｂと接触する成形型の接触面に対して垂直になっていないと、その上下動によるプレスプレート４ｂと成形型との接触時に成形型を水平方向に移動させようとする力が生じる。このとき、成形型８０の上型及び下型の位置が適正に保持され、上下のプレスプレート４ｂも水平に保持されていても、シャフト軸との関係でズレが生じていると、上記した水平方向に生じる力により上側のプレスプレートがわずかに水平方向に移動させられる。そのため、従来は、上型と接触してから光学素材を押し切るまでの間に、上型の位置がプレスプレートの水平移動に引きずられて移動又は傾斜し、成形される光学素子の球面軸がずれて、不良品となる場合があった。

一方、本発明は、図３に示したように、プレス前の状態（図３（ａ））からプレスを開始して押し切った状態（図３（ｂ））にもっていった際に、もともと水平移動手段４ｅの中央部に保持されているシャフト４ｄの位置が水平方向にずれても、水平移動手段４ｅを設けたことで、シャフト軸の水平方向への移動に対してプレスプレート４ｂの位置は移動させない。すなわち、シャフト４ｄに対して、プレスプレート４ｂは水平方向へ移動するが、成形型８０に対しては水平方向へ移動させないため、成形型（上型）の位置をずらす力を生じさせることなく、光学素子形状を精度よくプレス成形できる。なお、図３では転動体受け４１、転動体４３、コイルスプリング４４の図示を省略している。

このプレス工程では、上記したように成形型８０の上下から圧力をかけることで光学素材のプレス成形を行い、これにより光学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、プレス時の光学素材にかかる圧力は１〜３７．５Ｎ／ｍｍ^２が好ましく、例えば、５〜２０Ｎ／ｍｍ^２が特に好ましい。

そして、このようなプレス工程で、押切りが完了した成形型８０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である。

次に、冷却プレート５ｂにより成形型８０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を下降させて接近、接触させることで冷却する。

さらに、この冷却中に、光学素材の温度がガラス転移点以下になったところで、光学素材に加圧する圧力を変化させることもでき、例えば、光学素材の温度が、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、段階的に加圧してもよい。冷却時の光学素材にかかる圧力は１〜３７．５Ｎ／ｍｍ^２が好ましく、例えば、５〜２０Ｎ／ｍｍ^２が特に好ましい。

ガラス転移点以上の温度において低圧にするのは、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材が固化するまで、より高い圧力をかける。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２．５Ｎ／ｍｍ^２以下、高い圧力とは２．５Ｎ／ｍｍ^２超である。また、光学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、形状精度が向上する。また、固化した後の圧力は、光学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してもよい。

これにより光学素材を冷却して、固化させる。この冷却は、光学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５〜１５０℃／分が好ましい。

なお、上記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ことが好ましく、加熱工程において１以上の加熱ステージを設けることにより、段階的に光学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で、成形温度にまで加熱する。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、段階的に光学素材の温度を下降させて、２００℃以下の温度とする。このように、段階的に加熱及び冷却することで、光学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ないようにできる。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を生じる離型異常のことをいう。

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１１は、チャンバー１２、第１の加熱ステージ１３、第２の加熱ステージ１４、第３の加熱ステージ１５、プレス成形ステージ１６、第１の冷却ステージ１７、第２の冷却ステージ１８、第３の冷却ステージ１９を有する装置構成となっており、チャンバー１２には光学素子の成形装置１と同様に、成形型８０の取入れ口とそれを開閉可能とする取入れシャッター２０、取出し口とそれを開閉可能とする取出しシャッター２１、それら取入れ口及び取出し口の外側には成形型載置台２２及び２３が設けられている。

この光学素子の成形装置１１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する以外は、図１の光学素子の成形装置１の構成と同様である。

第１の加熱ステージ１３では、光学素材をガラス転移点以下、１００〜２００℃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１４では ガラス転移点と屈伏点の間の温度にまで、第３の加熱ステージ１５ではガラスの屈伏点以上、５〜５０℃程度高い温度にまで加熱する。また、プレス成形ステージ１６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１７では成形素材のガラス転移点以下、好ましくは歪点以下まで冷却し、第２の冷却ステージ１８では、さらに２００℃以下の成形型が酸化されない温度にまで冷却し、第３の冷却ステージ１９では、室温にまで冷却する。

ここで、第３の冷却ステージは、用いるプレートを、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とすることで、効率的に冷却できる。

その後、冷却して得られた光学素子は、光学素子形状とするために、余肉部を切削して光学素子形状とし、アニール工程に付し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。

図４では、プレス成形ステージにおいてのみ水平移動手段１６ｅを設けているが、この水平移動手段は、加熱ステージ、冷却ステージにおいて設けるようにしてもよい。

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１１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１１は、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１００×７８×３４ｍｍの直方体で内部に１．５ｋＷ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１４０×７８×１０ｍｍの板状体を２枚重ね合わせたものを用いた。

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製の４４０×５９２×２４０ｍｍの箱状で、このチャンバーの下板は４４０×５９２×２０ｍｍのものを用いた。

ここで、上側のプレスプレート１６ｂ（断熱板１６ｃ含む）とプレスシャフト１６ｄは、水平移動手段１６ｅを介して接続されている。水平移動手段１６ｅは、図２と同一の構成を有し、プレスシャフト１６ｄに直接固定されているφ４０ｍｍ、厚さ５ｍｍのクロムモリブデン鋼製の円板状の転動体受けと、φ７５ｍｍ、高さ２７ｍｍの中空円柱状で、その上面にはシャフト１６ｄが通る開口が設けられたＳＵＳ３０４製の水平移動部材と、φ８ｍｍのベアリング鋼製の真球状の転動体と、ＳＵＳ３０４製のコイルスプリングと、で構成されている。

水平移動部材の開口部は、プレスシャフト１６ｄ軸に対して径方向３６０度において最大移動距離が３０μｍとなっており、コイルスプリングは、プレスシャフト１６ｄの外周に沿って、均等に８本設けられている。ここで、コイルスプリングにより転動体受けと水平移動部材との間に定常時に生じている弾性力は１００Ｎであり、このコイルスプリングが支えているヘッド部分の質量は６ｋｇである。ここで、ヘッド部分は、水平移動部材とそれに固定されているプレスプレート１６ｂ（断熱板１６ｃを含む）をいう。また、シャフト１６ｄとプレスプレート１６ｂとの間に生じる摩擦係数μ１は０．００１、プレスプレート１６ｂと成形型８０との間に生じる摩擦係数μ２は０．９である。なお、この摩擦係数はプレス温度におけるものである。

また、成形型８０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製で、外胴はＳＵＳ３１６Ｌからなり、プレス成形により、直径１６ｍｍ、中心厚さ１ｍｍ、周辺厚さ５ｍｍの凹メニスカス形状の光学素子が得られるものを用いた。

この成形型８０の内部に直径φ１４ｍｍ、中心厚み５．４ｍｍの断面楕円状のランタン系の光学素材を収容した。なお、この光学素材の歪点は５８０℃、ガラス転移点（Ｔｇ）は６１６℃、屈伏点（Ａｔ）は６６２℃である。

光学素材を収容した成形型８０を、搬送手段により第１の加熱プレート１３ｂ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１３ｂを下降させて上型に接触させ、成形型８０及び光学素材を１２０秒間加熱し、次いで、第２の加熱プレート１４ｂ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１４ｂを下降させて上型に接触させ、成形型８０及び光学素材を１２０秒間加熱し、さらに、第３の加熱プレート上に搬送し載置すると同時に上型の第３の加熱プレート１５ｂを下降させて上型に接触させ、成形型８０及び光学素材を１２０秒間加熱して光学素材を軟化状態とした。なお、第１の加熱プレート１３ｂは５００℃、第２の加熱プレート１４ｂは６００℃、第３の加熱プレート１５ｂは６９０℃に設定した。

次に、成形型８０をプレスプレート１６ｂ上に搬送し載置して、上側のプレスプレート１６ｂを下降させ、エアシリンダーにより光学素材に８．５Ｎ／ｍｍ^２の圧力をかけて、１２０秒間プレス成形を行った。このとき、プレスプレート１６ｂの温度は６９０℃であった。

プレス後、成形型を第１の冷却プレート１７ｂ上に搬送し載置すると同時に上側の冷却プレート１７ｂを下降させて上型に接触させ、エアシリンダーにより光学素材に８．５Ｎ／ｍｍ^２の圧力をかけて、１２０秒間冷却し、次いで、成形型を第２の冷却プレート１８ｂ上に搬送し載置すると同時に上側の第２の冷却プレート１８ｂを下降させて上型に接触させ、１２０秒間冷却し、さらに、成形型を第３の冷却プレート１９ｂ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１９ｂを下降させて上型に接触させ、１２０秒間冷却した。このとき、第１の冷却プレート１７ｂは６４０℃、第２の冷却プレート１８ｂは５８０℃、第３の冷却プレート１９ｂは２０℃（冷却水温度）に設定した。

光学素材を室温になるまで冷却し、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１１のプレス成形ステージ１６において、水平移動手段１６ｅを設けずに、シャフト１６ｄに断熱板を介して冷却プレートを固定した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得た。

（試験例）
同一の光学素子を製造するための２個の成形型を用いて、連続的に、実施例１及び比較例１の成形操作を同一条件の元に、それぞれ一つの金型につき８６ショット成形操作した。得られた８６個の光学素子のレンズチルトを調べた。レンズチルトは、成形したレンズ（レンズ外周部に平行部を有する）の平行部の厚さを、所定の基準点から円周方向に均等に８ヵ所、マイクロメータにて測定し、基準点を０としたときの各測定箇所の差異を求め、この差異と外径から算出した。得られたレンズチルトに対して、所定の基準についての工程能力指数（Ｃｐｋ）を算出したところ、表１の結果が得られた。

この結果から、本発明の水平移動手段を備えたプレス成形は、従来より工程能力指数を向上させて、不良率を低減できる。

以上に示したように、本発明の光学素子の成形装置及び製造方法により、成形装置の熱間状態でのプレス軸の厳密な位置調整が不要となり、生産性の向上と光学素子の変形を抑制し、歩留まりを向上できることがわかった。

本発明の光学素子の成形装置は、プレス成形により光学素子を製造する際に使用できる。

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、８，９…成形型載置台、８０…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、４ｅ…水平移動手段、４１…転動体受け、４２…水平移動部材、４３…転動体、４４…コイルスプリング

Claims (7)

1. 上型と下型の間に光学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と、前記加熱、プレス成形及び冷却の各プロセスを制御する制御手段と、を備えるとともに、
   前記プレス成形ステージにおける上側のプレスプレートが、該プレスプレートを上下動させるシャフトと、前記シャフトの動作時に前記プレスプレートと前記成形型との接触により生じる水平方向の力に応じて前記プレスプレートを水平方向へ移動させる水平移動手段を介して接続されていることを特徴とする光学素子の成形装置。
2. 前記上側のプレスプレートと前記シャフトとの摩擦係数をμ１、前記上側のプレスプレートと該上側のプレスプレートと接触する成形型との摩擦係数をμ２、としたとき、μ１＜μ２の関係を満たしている請求項１記載の光学素子の成形装置。
3. 前記水平移動手段が、上側のプレスプレートと前記シャフト軸との間に、転動体を設けて水平移動を可能としている請求項１又は２記載の光学素子の成形装置。
4. 前記水平移動手段が、前記シャフトの下端部に固定された転動体受けと、該シャフトに取り付けられ、該シャフトに対して水平移動可能に設けられた水平移動部材と、前記転動体受けと前記水平移動部材との間に設けられた複数の転動体と、前記転動体受けと前記水平移動部材とが前記転動体を所定の圧力で常時押圧するような弾性力を生じさせるコイルスプリングと、を有して構成されている請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素子の成形装置。
5. 前記コイルスプリングにより生じる弾性力が１０〜１０００Ｎである請求項４記載の光学素子の成形装置。
6. 前記プレスプレートと前記プレス軸との水平方向の移動距離が、シャフト軸の径方向３６０度において２０μｍ以下である請求項１乃至５のいずれか１項記載の光学素子の成形装置。
7. 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を用い、前記成形型に光学素材を収容し、前記成形型を加熱して該成形型内の光学素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素材を、プレスプレートを用いて前記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、前記成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学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、プレス成形ステージにおける上側のプレスプレートを該プレスプレートを上下動させるシャフトにより前記成形型に接近させて密接させ、さらに、前記シャフトの動作時に前記プレスプレートと前記成形型との接触により生じる水平方向の力に応じて前記プレスプレートを水平方向へ移動させてプレス成形することを特徴とする光学素子の成形方法。

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