JP2898122B2 - 光学素子及びその成形方法及び成形装置 - Google Patents

光学素子及びその成形方法及び成形装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、硝子部材の表面に、樹
脂層を一体的に成形した光学素子及びその成形方法及び
成形装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、硝子部材の表面に、樹脂材料
から成る薄い膜を成形加工することにより、硝子材料で
は加工しにくい非球面形状を有するレンズを形成する方
法が知られている。この様な方法により成形されたレン
ズは、一般的にレプリカレンズと呼ばれている。
【０００３】このレプリカレンズの成形に当たっては、
従来、図４に示す様に、所望の非球面形状の成形面を有
する型部材５２の上に、この非球面形状に近い曲率を有
する球面形状に加工された硝子部材５０を載置し、この
硝子部材５０の表面と、型部材５２の成形面５２ａとの
間に規定される空間部５４に、液体状の樹脂を充填して
硬化させることにより、所望の非球面形状を有するレプ
リカレンズ５５を形成するという方法が取られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ここで、上記の様に樹
脂材料を型により成形加工する場合には、通常、樹脂材
料の硬化につれて、樹脂材料が収縮を起こす。すなわ
ち、硬化前には、型部材の成形面５２ａと硝子部材５０
の表面との間の空間部５４を満たす様に充填されていた
樹脂材料が、硬化後には、収縮し、この成形面５２ａと
硝子部材５０の表面との間で規定される空間部５４より
も体積が小さくなるということが起きる。
【０００５】この樹脂材料の体積の縮小のために、以下
の様な現象が起きる。 （ａ）収縮した樹脂に引かれて、硝子部材５０自体が撓
む。 （ｂ）硝子部材５０の表面と樹脂材料との間で剥離が生
じる。 （ｃ）型部材５２の成形面５２ａと樹脂材料との間で剥
離が生じる。 このうち、（ａ）の様に、硝子部材５０自体が撓むので
あれば、成形された非球面形状が僅かに所望の形状から
ずれるだけで済むのであるが、（ｂ）の様に、硝子部材
５０と樹脂材料との間で剥離が生じた場合には致命的な
欠陥となるという問題点がある。また、（ｃ）の様に、
成形面５２ａと樹脂材料の間で剥離が生じた場合でも、
樹脂材料の全面が一様に剥離するのではなく、部分的に
剥離が生じるため、この剥離した部分と、まだ、成形面
５２ａに密着している部分との間に、収縮具合の差が生
じ、樹脂の表面形状が、剥離した部分と剥離していない
部分の境界線を境として、曲率が不連続となった形状に
成形されてしまうという問題点がある。
【０００６】また、一方、成形面５２ａと樹脂層の剥離
を防止するために、成形面５２ａと樹脂層の結合力を必
要以上に大きくした場合には、成形の完了したレプリカ
レンズ５５を型部材５２から離型する場合に、その離型
力が大きくなり、離型時にレプリカレンズ５５を破損し
てしまったり樹脂層を変形させてしまったりすることが
あるという問題点がある。
【０００７】従って、本発明は、上述の課題に鑑みてな
されたものであり、その目的とするところは、樹脂層の
硬化時には、硝子部材と樹脂層との間及び型部材と樹脂
層の間において剥離を生ずることがなく、且つ樹脂層が
完全に硬化した後においては、完成した光学素子を破損
したり、樹脂層を変形させたりすることなく、この光学
素子を離型させることができる様な光学素子及びその成
形方法及び成形装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し、
目的を達成するために、本発明の光学素子の成形装置
は、硝子部材の表面に、所定の表面形状を有する樹脂層
を、成形加工によって形成することにより、硝子材料と
樹脂材料とを一体化した光学素子を形成するための光学
素子の成形装置において、前記樹脂層の表面に前記所定
の表面形状を転写するための成形面を有し、且つ以下の
物性値、 硬度 ：＞ショアー硬度Ｄ５０度（ＡＳＴＭ Ｄ２２４０）又は ＞ロックウェル硬度Ｒ７０度（ＡＳＴＭ Ｄ７８５） 弾性係数：５０００〜３５０００ｋｇｆ／ｃｍ2 摩擦係数：静止摩擦係数（ＡＳＴＭ Ｄ１８９４）＜０．２ 吸水率 ：２４Ｈ水中浸せき時の元の重量に対する吸水した水分の重量の比率 ＜０．３％ 耐光性 ：不変又は僅か変化（ＡＳＴＭ Ｅ１８７） を満足する高分子材料から成る型部材を具備することを
特徴としている。
【０００９】また、本発明の光学素子の成形方法は、硝
子部材の表面に、所定の表面形状を有する樹脂層を、１
回の成形加工によって形成することにより、硝子材料と
樹脂材料とを一体化した光学素子を形成するための光学
素子の成形方法において、前記所定の表面形状を前記樹
脂層に転写するための型部材として、以下の物性値、 硬度 ：＞ショアー硬度Ｄ５０度（ＡＳＴＭ Ｄ２２４０）又は ＞ロックウェル硬度Ｒ７０度（ＡＳＴＭ Ｄ７８５） 弾性係数：５０００〜３５０００ｋｇｆ／ｃｍ2 摩擦係数：静止摩擦係数（ＡＳＴＭ Ｄ１８９４）＜０．２ 吸水率 ：２４Ｈ水中浸せき時の元の重量に対する吸水した水分の重量の比率 ＜０．３％ 耐光性 ：不変又は僅か変化（ＡＳＴＭ Ｅ１８７） を満足する高分子材料から成る型部材を使用することを
特徴としている。
【００１０】また、本発明の光学素子の成形方法は、硝
子部材の表面に、複数回の成形加工によって夫々所定の
表面形状を有する複数の樹脂層を順次重ねて形成するこ
とにより、該複数の樹脂層を複合化した最終的な所望の
表面形状を有する樹脂層を硝子部材と一体化した光学素
子を形成するための光学素子の成形方法において、前記
複数回の成形加工のうち少なくとも１回の成形加工時
に、前記所定の表面形状を前記樹脂層に転写するための
型部材として、以下の物性値、 硬度 ：＞ショアー硬度Ｄ５０度（ＡＳＴＭ Ｄ２２４０）又は ＞ロックウェル硬度Ｒ７０度（ＡＳＴＭ Ｄ７８５） 弾性係数：５０００〜３５０００ｋｇｆ／ｃｍ2 摩擦係数：静止摩擦係数（ＡＳＴＭ Ｄ１８９４）＜０．２ 吸水率 ：２４Ｈ水中浸せき時の元の重量に対する吸水した水分の重量の比率 ＜０．３％ 耐光性 ：不変又は僅か変化（ＡＳＴＭ Ｅ１８７） を満足する高分子材料から成る型部材を使用することを
特徴としている。
【００１１】
【作用】以上の様に、この発明に係わる光学素子及びそ
の成形方法及び成形装置は構成されているので、型部材
に高分子材料を使用することにより、樹脂材料の収縮時
に、型部材がその収縮に追従して変形し、樹脂層と硝子
部材の剥離及び樹脂層と型部材の剥離を防止する様に働
く。
【００１２】また、型部材が変形して樹脂層と硝子部材
の剥離及び樹脂層と型部材の剥離を防止する様に働くの
で、樹脂材料と型部材の結合力を大きくなりすぎない様
に型部材の材料の物性を選択することが可能となり、離
型時の光学素子の破損等が生じない様にすることができ
る。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の好適な一実施例について、添
付図面を参照して詳細に説明する。図１は、一実施例の
光学素子の成形装置の概略構造を示した図である。ま
ず、成形装置の構成について説明する前に、一実施例の
成形装置により光学素子を成形する成形方法の概略内容
について説明する。この成形方法は、硝子材料の表面
に、硝子材料では、加工しにくいような形状を形成する
ものであり、比較的加工し易い形状に加工したガラス部
材の表面に、樹脂材料から成る所望の複雑な表面形状の
樹脂層を形成するものである。例としては、球面形状に
加工した硝子部材の表面に、非球面形状の樹脂の膜を成
形し、硝子材料と樹脂材料とを組み合わせた非球面レン
ズを作成することがあげられる。すなわち、単レンズで
収差を補正したレンズを提供するためには、レンズの表
面形状を非球面形状にする必要があるが、硝子材料を非
球面形状に加工することは容易ではなく、また、非球面
形状に成形し易い樹脂を用いたレンズでは、レンズのパ
ワーを稼ぎにくいため、この両者を組み合わせることに
より、この両者の長所のみを生かそうとするものであ
る。このようにして製造されたレンズをレプリカレンズ
と呼ぶ。
【００１４】具体的には、図１に示す様に、表面を球面
状に加工された硝子部材３０の片面である接合面３０ａ
に、活性エネルギー線硬化型樹脂の薄い膜から成る樹脂
層３２を形成するものである。硝子部材３０は、その外
周部にフランジ状の胴付き部３０ｂを有しており、この
胴付き部３０ｂが、支持部材１４の上端面１４ｂに当接
した状態で、支持部材１４上に支持されている。この上
端面１４ｂは、樹脂材料の表面形状を形成するための型
部材１２の成形面１２ｂのエッジ部から、高さｈだけ突
出している。この突出量ｈにより、樹脂層３２の厚みが
最も薄くなる部位においても所定の厚みを有する様に規
定される（成形面１２ｂが非球面形状であるため、樹脂
層の厚みは場所により異なる）。そして、型部材１２の
成形面１２ｂと、接合面３０ａとにより規定される空間
内に充填された液体状の樹脂材料に、活性エネルギー線
を照射することにより、この樹脂材料を硬化させ、レプ
リカレンズ３３を完成させる。
【００１５】以下、図１に基づいて、レプリカレンズを
成形加工するための装置の構成について説明する。参照
番号１０は、樹脂層３２を成形するための型部材１２
や、硝子部材３０を支持するための支持部材１４等を保
持するための基板を示しており、水平に沿って延出する
様に設けられている。この基板１０の上面には、型部材
１２、支持部材１４、型枠１６、及びチャッキング部材
１７が支持されており、基板１０の下面には、支持部材
１４及びチャッキング部材１７を、型部材１２に対して
相対的に移動させるためのエアシリンダ２０が配設され
ている。
【００１６】詳しくは、基板１０の上面には、中心部に
鉛直上方に開口した円柱状の凹部１６ａを有する型枠１
６が固定されている。円柱状の凹部１６ａの内側には、
略円筒状の支持部材１４が挿入されており、この支持部
材１４の下端には、その外周面が円筒状の凹部１６ａの
内周面に摺動可能に嵌合するフランジ部１４ｃが設けら
れている。
【００１７】また、支持部材１４の内側には、支持部材
１４の内径よりも僅かに細い外径を有する型部材１２が
挿入されており、この型部材１２はその下端面を円柱状
の凹部１６ａの底部上面に固定されている。従って、支
持部材１４は、その内周面とフランジ部の外周面を、そ
れぞれ、型部材１２の外周面と型枠１６の内周面に案内
された状態で、型部材１２及び型枠１６に対し、この型
部材１２の中心軸線に沿う方向（図中上下方向）に摺動
可能にされている。
【００１８】また、支持部材１４の外周面と型枠１６の
内周面の間には、円筒状の空間部１９が形成されてお
り、この空間部１９には、略円筒状のチャッキング部材
１７が、その下側の嵌合部１７ａの内周面と外周面と
を、それぞれ支持部材１４の外周面と、型枠１６の内周
面に嵌合させた状態で、且つ嵌合部１７ａの下端面を、
支持部材１４のフランジ部１４ｃの上面に当接させた状
態で、装着されている。そしてこのチャッキング部材１
７は、その嵌合部１７ａが、支持部材１４の外周面と型
枠１６の内周面にガイドされた状態で、型部材１２の中
心軸線に沿う方向（図中上下方向）にスライド可能にさ
れている。
【００１９】ここで、チャッキング部材１７の上部は、
円筒を等分に４分割した形状をしており、この分割され
た夫々の部分は、それぞれアーム部１７ｂを形成してい
る。アーム部１７ｂは、嵌合部１７ａよりも薄肉にされ
ているので、チャッキング部材１７を形成する材料の弾
性により、内方及び外方に撓むことが可能である。そし
て、このアーム部１７ｂの先端部には、後述する硝子部
材３０の外周面をチャッキングして位置決めするための
爪部１７ｃが設けられている。
【００２０】アーム部１７ｂの中間部位には、突起部１
７ｄが形成されているとともに、先端部には、突起部１
７ｅが形成されており、突起部１７ｄは、支持部材１４
の外壁に形成されたカム面１４ｄに当接し、突起部１７
ｅは、型枠１６の上端部に形成された斜面１６ｂに当接
する。
【００２１】従って、チャッキング部材１７を支持部材
１４及び型枠１６に対して上下方向にスライドさせるこ
とにより、４つのアーム部１７ｂが、カム面１４ｄと斜
面１６ｇに沿って動き、爪部１７ｃの開閉動作を行わせ
ることができる。すなわち、チャッキング部材１７の上
下方向のスライドにより、硝子部材３０のチャッキング
と、このチャッキングの解除が行われるわけである。
【００２２】一方、基板１０の下側の面には、支持部材
１４を型部材１２に対して上下方向に移動させると共
に、チャッキング部材１７を支持部材１４及び型枠１６
に対して、上下方向に移動させるためのエアシリンダ２
０が固定されている。エアシリンダ２０は、その上部に
エアシリンダ本体２０ａに対して相対的に移動するシリ
ンダロッド２０ｂを有しており、このシリンダロッド２
０ｂの上面には、支持部材１４及びチャッキング部材１
７を接続させるための円柱状の連結部材２２が取りつけ
られている。
【００２３】連結部材２２の外周部には、フランジ部２
２ａが形成されており、このフランジ部２２ａの外周付
近の上面の円周上３か所には、接続ロッド２４Ａ，２４
Ｂ，２４Ｃ（２４Ｃのみ不図示）が直立した状態で固定
されている。この接続ロッド２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃの
上端部は、基板１０に穿設された透穴１０ａ、型枠１６
の底部の３か所に穿設された透穴１６ｃ，１６ｄ，１６
ｅ（１６ｅのみ不図示）、及び支持部材１４のフランジ
部１４ｃに穿設された透穴をそれぞれ介して、円筒状の
空間部１６内に進入し、チャッキング部材１７の下側の
嵌合部１７ａに接続されている。
【００２４】また、フランジ部２２ａの接続ロッド２４
Ａ，２４Ｂ，２４Ｃが固定されている部位の内側の円周
上３か所には、押上ロッド２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ（２
５Ｃのみ不図示）が直立した状態で固定されている。こ
の押上ロッド２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃの上端部は、型枠
１６の底部の３か所に穿設された透穴１６ｆ，１６ｇ，
１６ｈ（１６ｈのみ不図示）をそれぞれ介して、円柱状
凹部１６ａ内に進入し、支持部材１４の下側の端面１４
ａに当接可能にされている。
【００２５】また、型枠１６の下面と、連結部材２２の
フランジ部２２ａの上面の間には、押上ロッド２５Ａ，
２５Ｂ，２５Ｃの外周面に緩く嵌合した状態で、圧縮バ
ネ２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ（２６Ｃのみ不図示）が配置
されており、これにより、連結部材２２は、型枠１６の
下面に対して押し下げられる方向に付勢されている。
【００２６】従って、エアシリンダ２０が作動していな
い状態では、シリンダロッド２０ｂ及び、連結部材２２
は、これらの自重及び、圧縮バネ２６Ａ，２６Ｂ，２６
Ｃの付勢力により下方に押し下げられており、支持部材
１４は型部材１２に対して下側に位置していると共に、
チャッキング部材１７は、支持部材１４及び型枠１６に
対して、下側に位置している。この状態では、図示した
様に、押上ロッド２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃの上端面は、
支持部材１４の下端面１４ａから離間しており、また、
チャッキング部材１７の４つの爪部１７ｃは閉じた状態
になっており、硝子部材３０は、その外周部を、４つの
爪部１７ｃによりチャッキングされている。
【００２７】そして、この状態においては、硝子部材３
０は、チャッキング部材１７により、その光軸の位置
が、型部材１２の成形面１２ｂの中心に正確に一致した
状態で、保持されている。一方、エアシリンダ２０は２
段階の動作を行う様にされており、このエアシリンダ２
０を一段階動作させて、連結部材２２を上側に移動させ
ると、接続ロッド２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃを介して、チ
ャッキング部材１７が上方向に押し上げられることとな
る。これにより、チャッキング部材１７の４つの爪部１
７ｃは図２に示した様に開状態となり、硝子部材３０の
チャッキング状態は解除される。一方、この状態では、
押上ロッド２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃの上端面は、まだ支
持部材１４の下端面に当接しておらず、支持部材１４は
型部材１２に対して下側に位置している。
【００２８】この状態からさらにエアシリンダ２０をも
う一段階動作させると、押上ロッド２５Ａ，２５Ｂ，２
５Ｃの上端面が支持部材１４の下端面に接触して、この
支持部材１４を上側に押しあげるので、完成したレプリ
カレンズ３３が型部材１２から離型されることとなる。
【００２９】なお、型部材１２の成形面１２ｂは、レプ
リカレンズ３３の完成形状に要求される非球面形状に加
工されているので、支持部材１４の上端面１４ｂ上に硝
子部材３０を載置した状態で、硝子部材３０の接合面３
０ａと成形面１２ｂとにより規定される空間内に充填さ
れた樹脂材料を硬化させることにより、硝子部材３０の
表面に、成形面１２ｂの非球面形状が転写された樹脂層
３２を形成することができる。
【００３０】ここで、図１を見れば分かる様に、支持部
材１４の突出量ｈは、硝子部材３０上に形成される樹脂
層３２の厚みを規定するものである。そして、突出量ｈ
の値は、成形面１２ｂの非球面の度合いによって異なる
のであるが、樹脂層３２が最も薄くなる位置で、この樹
脂層３２の厚みが、所定の厚みよりも薄くならない様に
設定されている。また、詳細は後述するが、型部材１２
は、高分子材料を加工したものであり、樹脂層３２の硬
化時に、この樹脂層３２の収縮に追従する様に変形し
て、硝子部材３０の接合面３０ａと樹脂層３２の間、及
び樹脂層３２と成形面１２ｂとの間で剥離が起こらない
様にされている。
【００３１】また、支持部材１４の上端部には、樹脂材
料のはみ出し分を収容するための逃げ部１４ｃが形成さ
れており、はみ出した樹脂材料が支持部材１４に付着す
ることを防止すると共に、硝子部材３０と、支持部材１
４の上端面１４ｂとの接触部分から樹脂材料がはみ出し
てバリが形成されることを防止する様にされている。硝
子部材３０の上方には、活性エネルギー線を照射するた
めの照射装置３４が配置されており、この照射装置３４
によって、活性エネルギー線を樹脂層３２に照射するこ
とにより、樹脂層３２を硬化させることができる。
【００３２】次に、このように構成された成形装置にお
いて、レプリカレンズを成形加工する手順について説明
する。まず、図２に示す様にエアシリンダ２０を一段階
動作させて、チャッキング部材１７をチャッキング状態
を解除した状態にさせる。この状態で、型部材１２の成
形面１２ｂに樹脂材料を供給する。この時の樹脂材料の
供給量は、硝子部材３０の接合面３０ａと、型部材１２
の成形面１２ｂの間に規定される空間を満たす量よりも
僅かに多い量に設定される。ここで、この一実施例にお
いては、活性エネルギー線硬化型の樹脂として、紫外線
硬化型の樹脂を使用するものとする。
【００３３】次に、硝子部材３０を支持部材１４上に載
置する。この硝子部材３０を載置する工程において、樹
脂材料は、硝子部材３０の接合面３０ａにより、成形面
１２ｂ上の全面に押し広げられるわけであるが、このと
き、樹脂材料中に気泡が混入すると、たとえ光学性能に
影響が無い程度であっても、製品として出荷することが
不可能になる。そのため、この硝子部材３０を支持部材
１４上に載置する工程は、樹脂材料に気泡が混入しない
様に細心の注意を払って行われる。次に、図１に示す様
に支持部材１４上に、硝子部材３０が載置された状態
で、エアシリンダ２０の動作を解除し、チャッキング部
材１７をチャッキング状態とする。これにより、硝子部
材３０は、この硝子部材３０の光軸中心が、成形面１２
ｂの中心と一致する様に、型部材１２に対して位置決め
される。
【００３４】次に、照射装置３４によって、活性エネル
ギー線としての紫外線を、硝子部材３０の上方から、樹
脂材料に向けて照射する。これにより、樹脂材料は硬化
し、成形面１２ｂの非球面形状が表面に転写された樹脂
層が、硝子部材３０の接合面３０ａ上に形成される。こ
のとき、樹脂材料は、硬化するにつれて体積の収縮を起
こすが、前述した様に、型部材１２が高分子材料からで
きているため、成形面１２ｂが、この樹脂材料の収縮に
追従する様に変形し、硝子部材３０の接合面３０ａと樹
脂層３２との間、及び樹脂層３２と成形面１２ｂとの間
で剥離が起こることが防止される。ここで、成形面１２
ｂが変形するということは、成形された樹脂層３２の表
面形状が、所望の形状からずれることを意味している
が、この変形による樹脂層３２の成形誤差は、僅かであ
り、光学性能を大きく低下させることにはつながらな
い。しかも、必要ならば、変形量を成形面の形状で補正
することも可能である。むしろ、接合面３０ａからの樹
脂層３２の剥離及び、樹脂層３２の成形面１２ｂからの
剥離が起きることの方が、遥かに大きな問題を引き起こ
す。
【００３５】次に、樹脂層３２の硬化が完了した後、エ
アシリンダ２０を再び動作させる。このとき、図２に示
す様にエアシリンダ２０を１段階動作させると、チャッ
キング部材１７による硝子部材３０のチャッキング状態
が解除され、さらにもう１段階動作させると、押上ロッ
ド２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃにより支持部材１４が押し上
げられて、レプリカレンズ３３が型部材１２から離型さ
れ、レプリカレンズ３３が完成する。
【００３６】ここで、このレプリカレンズ３３を離型す
る時に、型部材１２の成形面１２ｂと樹脂層３２の結合
力が大きすぎる場合には、離型のために加えられる力が
大きくなり、完成したレプリカレンズを破損してしまっ
たり、あるいは樹脂層３２を変形させてしまったりする
という事故が発生する。また、逆に成形面１２ｂと樹脂
層３２との結合力が小さすぎる場合には、樹脂材料の硬
化時に成形面１２ｂと樹脂層３２との間で剥離が生ずる
ことになり、不具合を生ずる。そのため、型部材１２に
使用する高分子材料は、厳密な条件により選択されるも
のである。この高分子材料の選択条件については後述す
る。
【００３７】なお、上記の成形加工の説明においては、
一回の成形加工によって硝子部材３０の表面に樹脂層３
２を形成する手順について説明したが、例えば、成形面
１２ｂの非球面の度合い（所望の非球面形状の非球面の
度合い）が大きい場合には、樹脂層３２の厚い部分と、
薄い部分とで、その収縮量が異なるため、一回の成形加
工では、所望の非球面形状が正確に形成できない場合が
ある。その様な場合には、一旦、所望の非球面形状（あ
るいは所望の非球面形状に近い形状）に加工された成形
面を有する型部材で成形加工を行った後、もう一回所望
の非球面形状に加工された成形面を有する型部材で仕上
げの成形加工を行うということが行われる。
【００３８】この様に成形加工を２回行えば、一回目の
成形加工で、１層目の樹脂層の表面が所望の非球面形状
に近い形状に成形されているので、２回目の成形加工で
形成される２層目の樹脂層は、ほとんど均一の厚みの樹
脂層となり、樹脂層の部分的な厚みの違いによる表面形
状のずれが緩和され、所望の非球面形状に非常に近い樹
脂層３２を成形することができる。
【００３９】このとき、樹脂層を２層に分けて成形加工
するには、上述した１回の成形加工を２回繰り返せば良
い。ただし、１層目の樹脂層の厚みと２層目の樹脂層の
厚みを管理する必要があるので、前述した突出量ｈが、
１層目の樹脂層と２層目の樹脂層の厚みにそれぞれ対応
した値となる様な高さの型部材１２を交換して使用する
か、あるいは、型部材１２の高さ方向の位置を微小量移
動させるかのどちらかの処理を行う必要はある。
【００４０】次に、このレプリカレンズの成形に使用す
る型部材の材料の選択基準について説明する。型部材１
２は、上述した様に、樹脂層３２の硬化時に、その収縮
に追従して樹脂層３２と硝子部材３０の接合面３０ａと
の剥離、及び樹脂層３２と成形面１２ｂとの剥離を防止
できると共に、レプリカレンズ３３の離型時にその離型
力があまり大きくならない様な材料で形成されている必
要がある。そのために、型部材１２に使用する高分子材
料に要求される条件は以下の様なものである。
【００４１】（１）硬度について 成形面１２ｂの鏡面加工性を良くするため、及び成形中
（特に剥離が生じた時）傷が生じない様にするため、あ
る程度の硬さが必要である。
【００４２】（２）弾性係数について 樹脂材料が硬化収縮する時に、それに引かれて硝子部材
３０が変形することを防止するために、また樹脂層３２
が型部材１２から剥離することを防止するために、型部
材１２が変形して樹脂材料の収縮を吸収しなければなら
ない。従って、ある程度の弾力性が必要である。
【００４３】（３）摩擦係数について 成形後の離型力を小さくするために、樹脂層３２と型部
材１２が必要以上に強固に密着することを防止する必要
がある。そのためには、型部材１２の成形面１２ｂのぬ
れ性が悪い方が良い。一般的に、摩擦係数が小さいと、
ぬれ性が悪くなり、従って型部材１２には摩擦係数の小
さい材料を使用する必要がある。
【００４４】（４）吸水率について 型部材１２が吸水又は吸湿し、その水分が型部材１２の
成形面１２ｂにしみ出してくると、樹脂材料が型部材１
２と密着せず、型部材１２が変形する前に型部材１２と
樹脂層３２が剥離する。そのため、吸水率が小さい方が
良い。
【００４５】（５）耐光性について 活性エネルギー線として光を照射する場合には、この照
射光により型部材１２が劣化することが考えられる。例
えば、多くの高分子材料は、紫外線照射により、分子錯
が切れて劣化する。そのため、型部材１２には、活性エ
ネルギー線としての光の種類に応じて、劣化を起こさな
い様な材料を選択する必要がある。
【００４６】そして、上述した様な選択基準により種々
の材料を選択し、それらについて研究、実験を重ねた結
果、上記のそれぞれの項目について特定の物性値を満足
するもののみが、型部材１２に極めて適していることを
見いだした。以下に、この型部材１２に適した幾つかの
材料を使用した例について、その実験結果を示す。な
お、これらの実験においては、活性エネルギー線硬化型
の樹脂として、一般的に使用されている紫外線硬化型の
樹脂（ウレタンアクリレート系の樹脂）を使用した。
【００４７】１．第１の例 ［条件］ 樹脂材料…ウレタンアクリレート系樹脂（紫外線硬化型
樹脂） 型部材 …フロロカーボン樹脂（デユポン社製テフロ
ン） 超精密旋盤によりダイヤモンドバイトで鏡面切削 （物性） 硬度（ＡＳＴＭ Ｄ２２４０） ：Ｄ５５ 弾性係数（ＡＳＴＭ Ｄ７４７） ：５０００ｋｇｆ／
ｃｍ2 摩擦係数（ＡＳＴＭ Ｄ１８９４）：０．１〜０．４ 吸水率（２４Ｈ水中侵せき） ：０％ 耐光性（ＡＳＴＭ Ｅ１８７） ：変化なし ここで、ＡＳＴＭとは、 Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉ
ｅｔｙＦｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓの
略称である。 レンズ径 …φ３２ｍｍ 硝子部材曲率半径 …Ｒ５５ｍｍ 樹脂材料の供給量 …７２ｍｇ 樹脂層中心部の厚み …２０μｍ 非球面量 …６０μｍ 活性エネルギー線 …中心波長３６５ｎｍ紫外線 照射量 …６０００ｍＪ ［結果］ 型の鏡面加工性 …表面荒さ０．
５μｍ以下 硬化中の樹脂層と型部材との剥離 …なし 硬化後の硝子部材の変形量 …０．６μｍ以
下 離型に要する力 …６０ｋｇ以下 樹脂層表面形状の型形状からのずれ量 …１μｍ以下
【００４８】上記の第１の例においては、樹脂層３２を
１回の成形加工のみで形成しており、そのときの非球面
量（樹脂層３２の最も厚い部分と最も薄い部分の厚みの
差）は６０μｍであり、樹脂層のレンズ中心部での厚み
が２０μｍである。このときの結果としては、樹脂層３
２の表面形状の型形状からのずれ量が１μｍ、硬化後の
硝子部材３０の変形量が０．６μｍと小さく、また、硬
化中の樹脂層３２と型部材１２（成形面１２ｂ）との剥
離も生じていない。さらに、硝子部材３０の破損及び樹
脂層３２の変形を起こす様な離型力の目安は、約１５０
ｋｇ程度なので、上記の様に離型に要する力が６０ｋｇ
であるということは、この値を十分に余裕をもってクリ
アーしていることになる。実際上も離型時には、全く問
題を生じなかった。
【００４９】２．第２の例 ［条件］ 型部材 …超高分子ポリエチレン（三井石油化学社製ハ
イゼックス） 加工方法は、第１の例と同一 （物性） 硬度（ＡＳＴＭ Ｄ２２４０） ：Ｄ６７〜Ｄ６９ 弾性係数（ＡＳＴＭ Ｄ７４７） ：９０００〜１００
００ｋｇｆ／ｃｍ2 摩擦係数（ＡＳＴＭ Ｄ１８９４）：０．１１〜０．０
７ 吸水率（２４Ｈ水中侵せき） ：０．０１％以下 耐光性（ＡＳＴＭ Ｅ１８７） ：僅か変化 その他の条件は、第１の例と同一 ［結果］ 離型に要する力 …１００ｋｇ その他の結果は第１の例と同一 この第２の例では、第１の例と比較すると離型力がやや
大きくなっているが、離型力１５０ｋｇの目安から見れ
ば十分に余裕があり、実用範囲内である。
【００５０】３．第３の例 ［条件］ 型部材 …ポリアセタール（デユポン社製デルリン） 加工方法は第１の例と同一 （物性） 硬度（ＡＳＴＭ Ｄ２２４０） ：Ｒ１１８ 弾性係数（ＡＳＴＭ Ｄ７４７） ：２６０００〜２９
０００ｋｇｆ／ｃｍ2 摩擦係数（ＡＳＴＭ Ｄ１８９４）：０．１８〜０．１
１ 吸水率（２４Ｈ水中侵せき） ：０．２〜０．２５
％ 耐光性（ＡＳＴＭ Ｅ１８７） ：僅か変化 その他の条件は、第１の例と同一 ［結果］ 離型力 …１３０ｋｇ以下 その他の結果は、第１の例と同一 この第３の例も第１の例に比較すると、離型力が大きい
が、やはり実用範囲内であることに違いはない。
【００５１】４．第４の例 この例においては、２回の成形加工により樹脂層を形成
している。 ［条件］ １回目の成形条件 第１の例と同一 ２回目の成形条件 型部材 …ＫＮメッキ 樹脂層中心部の厚み …１０μｍ 成形面の形状はと同一 ［結果］ 硬化中の樹脂層と型部材との剥離 …なし 硬化後の硝子部材の変形量 …０．６μｍ以
下 離型に要する力（２回目の成形時） …１２０ｋｇ 樹脂層表面形状の型形状からのずれ量 …０．２μｍ以
下
【００５２】上記の例においては、第１の例と同一条件
で成形した樹脂層の上に、さらに中心部の厚みが１０μ
ｍという薄い樹脂層を重ねて成形加工している。この例
では、第１の例の結果の欄に示した様に、１回目の成形
加工による樹脂層の表面形状は型形状から１μｍ程度の
ずれ量に納まっている。この状態で２回目の成形加工
を、１回目の型形状と同一形状の型を使用して行えば、
２回目に成形される樹脂層は、ほとんど１０μｍの均一
な厚みに近い膜となる。そのため、樹脂層の各部におけ
る収縮具合の差が生じにくくなり、成形の完了した樹脂
層の型形状からのずれ量は０．２μｍ以下と、極めて高
精度となっている。
【００５３】また、樹脂層の厚みが大きい場合の方が型
形状からのずれ量が大きくなり易いので、この例の様
に、２回目の樹脂層の厚みを１回目の樹脂層の厚みより
小さくした方が、最終的な樹脂層の形状精度が向上す
る。非球面量についても同様であり、２回目の樹脂層の
非球面量を１回目の樹脂層の非球面量よりも小さくした
方が、樹脂層の形状精度が向上する。この例において
は、１回目の成形の型形状と、２回目の成形の型形状を
同一にしているので、必然的に２回目の非球面量の方が
小さくなり、結果として上記の様な高精度の樹脂層が得
られている。
【００５４】なお、樹脂層の厚み及び非球面量が小さく
なると、樹脂層の収縮による型部材への食い付きが弱く
なり、離型力が減少する傾向がある。そのため、２回目
の成形時には、金属製の型を使用しても離型力が大きく
なりすぎる様なことがなく、結果として、離型力は、１
２０ｋｇと実用範囲内に納まっている。もちろん１回目
の成形加工と同一材料（高分子材料）の型あるいは全く
同じ型を使用しても良いのであるが、高分子材料製の型
は金属製の型に比較すると、耐久性の面で劣るため、金
属製の型で用が足りる場合には、金属製の型を使用する
ことが好ましい。
【００５５】５．第５の例 この例においても、２回の成形加工を行っている。 ［条件］ １回目の成形条件 樹脂層中心部の厚み …２０μｍ 非球面量 …９０μｍ その他の条件は第１の例と同一 ２回目の成形条件 型部材 …ＫＮメッキ 樹脂層中心部の厚み …１０μｍ 非球面量 …１０μｍ以下 ［結果］ 硬化中の樹脂層と型部材との剥離 …なし 硬化後の硝子部材の変形量 …０．６μｍ以
下 離型に要する力（２回目の成形時） …１２０ｋｇ 樹脂層表面形状の型形状からのずれ量 …０．２μｍ以
下
【００５６】この例は、１回目の非球面量と２回目の非
球面量を規定して、１回目の非球面量が大きく２回目の
非球面量が小さいという条件を意識的に作り出したもの
である。第４の例に比較して１回目の非球面量を大きく
してあるが、２回目の樹脂層の厚みが小さいことと非球
面量が小さいことにより、第４の例と同様の形状精度が
得られている。また、２回目の樹脂層の形状が第４の例
に近い形状であるので、離型力についても１２０ｋｇと
なっており、第４の例と同様の値である。次に上記の例
と比較するために、従来の例、及び上記の例とは成形条
件を変えた例の幾つかについて以下説明する。
【００５７】６．第１の比較例（従来例） ［条件］ 型部材 …りん青銅（切削により鏡面仕上げ） その他の条件は第１の例と同一 ［結果］ 型の鏡面加工性 …表面荒さ０．
５μｍ 硬化中の樹脂層と型部材との剥離 …なし 硬化後の硝子部材の変形量 …１．２μｍ 離型に要する力 …１５０ｋｇ以
上（１／３が離型中にワレ。離型困難） 樹脂層表面形状の型形状からのずれ量 …０．６μｍ以
下
【００５８】上記の比較例は、第１の例において型部材
をりん青銅製の物に変えて成形を行ったものである。樹
脂材料の硬化中に型部材が変形しないので、第１の例に
比較して樹脂層の型形状からのずれ量は０．６μｍと小
さくなっている。そのかわり樹脂層に引かれて硝子部材
が変形するため、その変形量は１．２μｍと大きく、硝
子部材に歪みを生じさせている。また、離型力に関して
は、１５０ｋｇと大きく、離型中に硝子部材にワレを生
じるという事故が発生している。従って、第１の例との
比較においては、精度的にはどちらが良いとは言えない
が、離型性の点では、大きな問題がある。
【００５９】７．第２の比較例（従来例） ［条件］ 型部材 …ポリカーボネート（帝人化成パンライト） （物性） 硬度（ＡＳＴＭ Ｄ２２４０） ：Ｒ１１０〜Ｒ１２
０ 弾性係数（ＡＳＴＭ Ｄ７４７） ：２３０００ｋｇｆ
／ｃｍ2 摩擦係数（ＡＳＴＭ Ｄ１８９４）：０．３５ 吸水率（２４Ｈ水中侵せき） ：０．１５〜０．２
％ 耐光性 ：僅か変化 ［結果］ 型の鏡面加工性 …表面荒さ０．
５μｍ以下 硬化中の樹脂層と型部材との剥離 …なし 硬化後の硝子部材の変形量 …０．５μｍ 離型に要する力 …１５０ｋｇ以
上（離型困難） 樹脂層表面形状の型形状からのずれ量 …１μｍ この比較例は、第１の例において型部材をポリカーボネ
ート製の物に変えて成形を行ったものである。この例に
おいては、精度の点に関しては、第１の例と略同等であ
るが、離型力が大きく、第１の比較例と同様に問題があ
る。
【００６０】８．第３の比較例 ［条件］ １回目の成形条件 樹脂層中心部の厚み…１０μｍ その他の条件は第４の例と同一 ２回目の成形条件 樹脂層中心部の厚み…３０μｍ その他の条件は第４の例と同一 ［結果］ 硬化中の樹脂層と型部材との剥離 …なし 硬化後の硝子部材の変形量 …０．６μｍ以
下 離型に要する力（２回目の成形時） …１５０ｋｇ以
上（離型困難） 樹脂層表面形状の型形状からのずれ量 …１．２μｍ
【００６１】この比較例は、第４の例において２回目の
樹脂層の厚みを１回目の樹脂層の厚みより大きくした例
である。この様に、２回目の樹脂層を厚くすると、樹脂
層の型形状からのずれ量は第４の例と比較して大きくな
っており、１．２μｍとなっている。また、離型力も大
きく、離型性の点で問題がある。
【００６２】９．第４の比較例 ［条件］ １回目の成形条件 非球面量 …３０μｍ その他の条件は第５の例と同一 ２回目の成形条件 非球面量 …９０μｍ その他の条件は第５の例と同一 ［結果］ 硬化中の樹脂層と型部材との剥離 …なし 硬化後の硝子部材の変形量 …０．６μｍ以
下 離型に要する力（２回目の成形時） …１５０ｋｇ以
上（離型困難） 樹脂層表面形状の型形状からのずれ量 …１μｍ
【００６３】この比較例は、第５の例において２回目の
樹脂層の非球面量を１回目の樹脂層の非球面量より大き
くした例である。この様に、２回目の非球面量を大きく
すると、樹脂層の型形状からのずれ量は第５の例と比較
して大きくなっており、１μｍとなっている。また、離
型力も大きく、離型性に問題がある。
【００６４】（他の実施例）図３は、本発明の他の実施
例を示した図である。この他の実施例は、一実施例の成
形装置において、硝子部材３０の上側の面３０ｂにも樹
脂層を成形するための上側の型部材４０を設けた物であ
る。その他の構成及び動作は、一実施例と全く同様であ
る。そして、この様な構成の成形装置において、成形条
件を例えば以下の様にする。 ［条件］ 樹脂材料 …ウレタンアクリレート系樹脂（紫外線
硬化型樹脂） 上側の型部材 …テフロン 下側の型部材 …ＫＮメッキ この様に上側の型部材４０と下側の型部材１２の材料を
選択すれば、金属製の型の方が樹脂材料との密着力が強
いので、レプリカレンズ３３を離型する際に、下側の型
部材１２にこのレプリカレンズ３３が残る様になり、成
形加工の手順上好ましい。
【００６５】以上説明した様に、上記の一実施例では、
型部材の材料として、適切な物性を有する高分子材料を
用いているので、樹脂層３２と硝子部材３０の間、及び
樹脂層３２と型部材１２の成形面１２ｂの間において剥
離が生ずることがない。また、離型時にも、離型力が大
きくなりすぎることがないので、硝子部材３０の破損や
樹脂層３２の変形を招くことなく離型を行うことができ
る。
【００６６】また、他の実施例の様に、上側の型部材４
０に一実施例に示した物性の高分子材料を使用し、下側
の型部材１２に金属材料を使用することにより、離型時
に、必ず下側の型部材１２にレプリカレンズ３３が残る
様になり、成形加工の手順上好ましい。なお、本発明は
その主旨を逸脱しない範囲で、上記実施例を修正または
変形した物に適用可能である。
【００６７】例えば、上記実施例では、活性エネルギー
線硬化型の樹脂として、紫外線硬化型の樹脂を用いる場
合について説明したが、これに限定されることなく、Ｘ
線硬化型の樹脂や、赤外線硬化型の樹脂を使用しても良
い。また、一実施例では、凹レンズを成形する場合につ
いて説明したが、本発明は、凸レンズを成形する場合に
ついても、成形面の形状を変えるだけで全く同様に適用
可能である。
【００６８】また、樹脂層を１回及び２回の成形加工で
形成する場合について説明したが、３回以上の成形加工
で形成する様にしても良い。その場合には、１層目から
順次樹脂層の厚みを薄くして行く様にすれば、より形状
精度の高い樹脂層を形成することができる。
【００６９】また、樹脂層の形状精度の面では、各樹脂
層を次第に薄くしていくことが望ましいと考えられるの
で、１層目の樹脂層を最も厚くする様に、また、１層目
の樹脂層の非球面量を最も大きくする様に説明したが、
３回以上の成形加工で樹脂層を形成する場合には、最も
厚い樹脂層を２層目に形成し、３層目にこの２層目より
も薄い層を形成する様なことも考えられるので、最も厚
い樹脂層及び最も非球面量の大きい樹脂層を形成する層
は、１層目に限定される物ではない。ただし、この最も
厚い樹脂層及び最も非球面量の大きい樹脂層を形成する
場合に、実施例で示した様な、高分子材料から成る型部
材を使用する点については上記の説明と同様である。ま
た、レプリカレンズを成形する場合について説明した
が、本発明は、硝子材料の表面に樹脂層を形成する物で
あれば、他の種類の光学素子にも同様に適用可能であ
る。
【００７０】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明の光学素子及
びその成形方法及びその成形装置によれば、型部材に高
分子材料を使用することにより、樹脂材料の収縮時に、
型部材がその収縮に追従して変形し、樹脂層と硝子部材
の剥離及び樹脂層と型部材の剥離を防止することができ
るという効果がある。
【００７１】また、型部材が変形して樹脂層と硝子部材
の剥離及び樹脂層と型部材の剥離を防止する様に働くの
で、樹脂材料と型部材の結合力を大きくなりすぎない様
に型部材の材料の物性を選択することが可能となり、離
型時の光学素子の破損等が生じない様にすることができ
るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例の光学素子の成形装置の構造を示した
図である。
【図２】硝子部材のチャッキング状態が解除された状態
を示した図である。
【図３】他の実施例を示した図である。
【図４】従来例を示した図である。
【符号の説明】
１０ 基板 １２ 型部材 １４ 支持部材 １６ 型枠 ２０ エアシリンダ ２２ 連結部材 ２４ 連結ロッド ２５ 押上ロッド ２６ 圧縮バネ ３０ 硝子部材 ３２ 樹脂層 ３３ レプリカレンズ ３４ 照射装置 ４０ 型部材

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 硝子部材の表面に、所定の表面形状を有
    する樹脂層を、成形加工によって形成することにより、
    硝子材料と樹脂材料とを一体化した光学素子を形成する
    ための光学素子の成形装置において、 前記樹脂層の表面に前記所定の表面形状を転写するため
    の成形面を有し、且つ以下の物性値、 硬度 ：＞ショアー硬度Ｄ５０度（ＡＳＴＭ Ｄ２２４０）又は ＞ロックウェル硬度Ｒ７０度（ＡＳＴＭ Ｄ７８５） 弾性係数：５０００〜３５０００ｋｇｆ／ｃｍ2 摩擦係数：静止摩擦係数（ＡＳＴＭ Ｄ１８９４）＜０．２ 吸水率 ：２４Ｈ水中浸せき時の元の重量に対する吸水した水分の重量の比率 ＜０．３％ 耐光性 ：不変又は僅か変化（ＡＳＴＭ Ｅ１８７） を満足する高分子材料から成る型部材を具備することを
    特徴とする光学素子の成形装置。
  2. 【請求項２】 前記樹脂材料は、活性エネルギー線硬化
    型の樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の光学
    素子の成形装置。
  3. 【請求項３】 硝子部材の表面に、所定の表面形状を有
    する樹脂層を、１回の成形加工によって形成することに
    より、硝子材料と樹脂材料とを一体化した光学素子を形
    成するための光学素子の成形方法において、 前記所定の表面形状を前記樹脂層に転写するための型部
    材として、以下の物性値、 硬度 ：＞ショアー硬度Ｄ５０度（ＡＳＴＭ Ｄ２２４０）又は ＞ロックウェル硬度Ｒ７０度（ＡＳＴＭ Ｄ７８５） 弾性係数：５０００〜３５０００ｋｇｆ／ｃｍ2 摩擦係数：静止摩擦係数（ＡＳＴＭ Ｄ１８９４）＜０．２ 吸水率 ：２４Ｈ水中浸せき時の元の重量に対する吸水した水分の重量の比率 ＜０．３％ 耐光性 ：不変又は僅か変化（ＡＳＴＭ Ｅ１８７） を満足する高分子材料から成る型部材を使用することを
    特徴とする光学素子の成形方法。
  4. 【請求項４】 前記樹脂材料は、活性エネルギー線硬化
    型の樹脂であることを特徴とする請求項３に記載の光学
    素子の成形装置。
  5. 【請求項５】 硝子部材の表面に、複数回の成形加工に
    よって夫々所定の表面形状を有する複数の樹脂層を順次
    重ねて形成することにより、該複数の樹脂層を複合化し
    た最終的な所望の表面形状を有する樹脂層を硝子部材と
    一体化した光学素子を形成するための光学素子の成形方
    法において、 前記複数回の成形加工のうち少なくとも１回の成形加工
    時に、前記所定の表面形状を前記樹脂層に転写するため
    の型部材として、以下の物性値、 硬度 ：＞ショアー硬度Ｄ５０度（ＡＳＴＭ Ｄ２２４０）又は ＞ロックウェル硬度Ｒ７０度（ＡＳＴＭ Ｄ７８５） 弾性係数：５０００〜３５０００ｋｇｆ／ｃｍ2 摩擦係数：静止摩擦係数（ＡＳＴＭ Ｄ１８９４）＜０．２ 吸水率 ：２４Ｈ水中浸せき時の元の重量に対する吸水した水分の重量の比率 ＜０．３％ 耐光性 ：不変又は僅か変化（ＡＳＴＭ Ｅ１８７） を満足する高分子材料から成る型部材を使用することを
    特徴とする光学素子の成形方法。
  6. 【請求項６】 前記複数回の成形加工のうち、１回目の
    成形加工時に、前記複数回の成形加工により形成される
    前記樹脂層のうちで各部の厚みの差が最も大きい第１の
    樹脂層を形成し、且つ該第１の樹脂層の成形加工時に、
    前記物性値を満足する高分子材料から成る前記型部材を
    使用することを特徴とする請求項５に記載の光学素子の
    成形方法。
  7. 【請求項７】 前記複数回の成形加工のうち、１回目の
    成形加工時に、前記複数回の成形加工により形成される
    前記樹脂層のうちで平均的な厚みが最も大きい第１の樹
    脂層を形成し、且つ該第１の樹脂層の成形加工時に、前
    記物性値を満足する高分子材料から成る前記型部材を使
    用することを特徴とする請求項５に記載の光学素子の成
    形方法。
  8. 【請求項８】 前記樹脂層を形成するための樹脂材料
    は、活性エネルギー線硬化型の樹脂であることを特徴と
    する請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の光学
    素子の成形方法。
  9. 【請求項９】 請求項５に記載の光学素子の成形方法に
    より成形されたことを特徴とする光学素子。
  10. 【請求項１０】 請求項６に記載の光学素子の成形方法
    により成形されたことを特徴とする光学素子。
  11. 【請求項１１】 請求項７に記載の光学素子の成形方法
    により成形されたことを特徴とする光学素子。
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