JP3675679B2

JP3675679B2 - 光学素子成形方法及び光学素子成形装置

Info

Publication number: JP3675679B2
Application number: JP23180299A
Authority: JP
Inventors: 義之清水; 智章嶋崎; 健二井上; 正二中村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-08-18
Filing date: 1999-08-18
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: JP2001058837A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学機器等に用いられる光学素子を高精度にプレス成形する光学素子成形装置と光学素子成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光学素子を高精度且つ安価に製造する製造方法として、特開昭６２−２９２６３６のようなプレス成形法が実用化されている。前記製造方法は、光学素子の光学機能面が超精密加工で形成された形状を有する一対の押圧型の間に光学素子材料を配置し、それをブロックとし、光学素子材料が変形可能な温度まで加熱する予備加熱（以降予熱と称する）ステージ、加圧変形させ金型の光学有効面を転写するプレスステージ、転写を保ちながらガラス転移点以下まで冷却させる冷却ステージへと順次搬送し、光学素子を成形する方法である。
【０００３】
各ステージでは個別に温度調整、圧力調整の設定が可能であり、一対の押圧型間の温度分布も設定可能になっている。また、各ステージへのブロック搬送は一定時間で行われ、複数個の金型を用い、成形可能になっている。
【０００４】
具体的には、中心に摺動用の穴を開けた胴型を一方の押圧型に挿入し、前記押圧型の成形面上に光学素子材料を配置し他方の押圧型を挿入する。そしてこれを光学素子材料が変形可能な温度にまで加熱し、成形機のプレスヘッドが摺動する側の押圧型または他方の押圧型に圧力を加え胴型内で摺動させ、一対の押圧型に設けられたツバの部分に胴型端面が接触して摺動を停止することで光学素子の形状を決定する。或いは、前記摺動の停止は、別部材のストッパーにより停止することも提案されている。また、一対の押圧型と胴型で構成されたキャビティに光学素子素材が充填されることでも押圧型の摺動停止は可能である。
【０００５】
その後、冷却し押圧型を開放し光学素子を取り出すことで、光学素子材料に一対の押圧型に設けられた成形面形状が転写された光学素子が製造される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記光学素子のプレス成形においては、主に一対の押圧型の成形面の精度が光学素子の精度を決定するが、型の酸化や光学素子材料の重量、組成ばらつき、また、金型キャビティの加工ばらつきなどにより、光学有効面を転写するのに必要な圧力が異なってくる。また、大抵の場合はそのばらつきを吸収できるように温度を高めに設定したり、圧力を大きく設定することで転写を得ようとするが、金型組数が多くなってくると、そのばらつきが、プレスステージに於ける光学素子成形完了までの時間（押し切り時間）のばらつきにつながり、ひいては光学性能のばらつきとなり生産時の歩留まりに大きく影響する。
【０００７】
また、不必要な圧力、温度により光学素子に歪みが生じたり、ワレ、欠けなどが発生し不良な光学素子が成形されやすくなる。さらに、ワレや欠けの生じた光学素子を取り出す際に光学素子素材の破片や固まりが型内に残り、次回の成形時に光学素子有効面にキズをつけたりする。また、自動機械による金型分解、光学素子取り出し、光学素子素材供給、金型組立の一連の工程中にトラブルが生じやすく、設備稼働率が堕ち、生産性の面でも問題となる。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためのもので、不良を少なくして光学素子を成形する光学素子成形方法及び光学素子成形装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決する手段として、予熱ステージでの光学素子材料の粘性に応じて、プレスステージでの圧力、温度、待機時間などを制御する。
【００１０】
具体的には、光学素子材料の粘性を短時間に計測する事は極めて困難であることから、予熱ステージで、一定温度、一定時間、一定圧力をかけたときの変位量を計測し、その変位量に応じてプレスステージの圧力または温度を制御する。また、その変位測定は、金型ブロック毎にばらつきが生じないよう、予熱ステージの加熱ヘッドが当接した時を零とし、一定時間経過後の変位量を読み取ることにする。当接したタイミングは、変位計の読み取り値を一定時間に比較し、その差が零の時を判別する。このようにして計測された変位が大きいほど、光学素子素材の粘度が小さく、プレスステージでの加圧力は小さくでき、温度制御する際にも、低い温度で成形可能である。また、前記プレスステージでの時間（タクト）の制御も可能であるが、その場合、型ブロックの送りタクトが一定とはならず、製造装置として多少複雑になる。また、前記予熱ステージでの変位量が一定の時にプレスステージへ搬送することでも同様の効果が得られる。
【００１１】
上記装置によりプレス時の光学素子素材の状況に応じた圧力、温度もしくは時間が設定できる。あるいは、予熱ステージでの変位を一定にすることができ、プレスステージでの押し切り時間のばらつきを低減できる。
【００１２】
また、金型キャビティ内の充填率を安定させることができ、割れや欠けを低減できる。ひいては、金型を分解し、光学素子を取り出す工程での自動機のトラブルが少なく、装置稼働率が向上される。また、金型寿命も延ばすことが可能となり、安価に製造することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の光学素子成形装置の概念を示す断面図である。下型１１、上型１２、胴型１３で成型用の金型ブロック１４を構成する。予熱ステージ１５、プレスステージ１６、冷却ステージ１７を配置した成形装置に、前記ブロック１４を順次搬送していく機構を設けている。各ステージでの温度Ｔは、予熱温度Ｔ₁、プレス温度Ｔ₂、冷却温度Ｔ₃と、また、各ステージでの圧力Ｐは、予熱圧力Ｐ₁、プレス圧力Ｐ₂、冷却圧力Ｐ₃と、それぞれ設定されているものとする。予熱ステージ１５には、変位センサー２０が装備されており、演算処理機能付きシーケンサ２１が制御装置として設けられている。
【００１５】
本実施の形態では、下型１１、胴型１３、上型１２に囲まれたキャビティ内に光学素子材料１０を載置する。前記上下型１１，１２、胴型１３、光学素子材料１０をブロック１４とし、ブロック１４を予熱ステージ１５ａ、ｂの上で予備加熱を行う。具体的には、光学素子材料１０にはホウ珪酸ガラス（ガラス転移点：Ｔｇ５２０℃）φ３．５５ｍｍのボール研磨硝材を用いた。Ｔ₁はガラス屈伏点５６０℃以上に設定し、予備加熱を行う。前記予熱ステージ１５ａ、ｂでの荷重をＰ₁（１０ｋｇｆ／ｍｍ²以下）に設定し、一定タクトｔ秒で、プレスステージ１６ａ、ｂに搬送する。
【００１６】
従来は、搬送されたブロック１４を上下のプレスヘッドに内蔵のヒーター１８により型を設定温度Ｔ₂で加熱しながら、上プレスヘッドから上型１２を圧力Ｐ₂で加圧して光学素子材料１０を変形させて、光学素子１９を成形することになる。このときの、押切時間は金型あるいは、光学素子素材のばらつき等により１８秒から３８秒と大きくばらつき、一部割れの発生する光学素子もあった。成形された光学素子１９は成形ブロック１４ごと冷却ステージ１７に搬送され冷却されるが、冷却ステージ１７では上型１２、下型１１に加工された光学素子有効転写面を転写しながら固化するため、圧力Ｐ₃で加圧しながら、温度Ｔ₃（ガラス転移点以下）まで冷却する。光学素子がガラス転移点以下の温度に到達すると、プレス開放し、光学素子１９を取り出す。
【００１７】
しかし、本実施の形態では、予熱ステージ１５で、上型１２の端面に上プレスヘッドが当接したときの、変位センサー２０の読み込み値をＬ₀として、次のプレスステージに搬送する直前の変位センサー２０の読み込み値Ｌまでの変位差△Ｌに応じて、プレスステージでの圧力Ｐ₂、もしくは、プレスステージでの温度Ｔ₂を制御する。
【００１８】
実際に前記光学素子材料を用い、光ディスク用対物レンズの成形を行う例として、予熱温度Ｔ₁を５９０℃、予熱圧力Ｐ₁を８ｋｇｆ／ｍｍ²に設定し、前記成形ブロック１４を予熱ステージ１５に載置し、９０秒間予備加熱する。ボール硝材直径φ３．５５ｍｍにたいし、最終レンズの中心厚みが１．８ｍｍであるため、その成形完了までの変形量は１．７５ｍｍとなる。予熱ステージ１５のプレスヘッド１５ａが上型１２に当接した瞬間に変位センサー２０から得られる情報と、成形機のプレス開始の信号、タクトアップの信号から図２のようなアルゴリズムで割り出す。まず、プレス開始の信号とともに、プレスヘッドの位置をセンサー２０から読み込みｘ₀とする。次に、設定されたセンシングタイムｔ₀後に再びセンサー２０からプレスヘッド位置を読み込みｘ₁とする。装備された演算処理機能付きシーケンサ２１によりｘ＝ｘ₁−ｘ₀の処理を行い、ｘの値が０であるか否かを判別する。さらに、ｘが０でない場合、ｘ₀＝ｘ₁と置き直し、さらにセンシングタイムｔ₀後のプレスヘッド位置をセンサー２０から読み込みｘ₁とする。再び、演算処理ｘ＝ｘ₁−ｘ₀により、ｘ＝０になるまで作業を続ける。そして、ｘ＝０になった時、プレスヘッド１５ａは、上型１２に当接したとみなし、センサー２０の位置を０にリセットする。最後に、予熱完了時のタクトアップ信号が成形機側から出されたときのセンサー２０で読み取られるプレスヘッドの位置データＬ₁を変形量△Ｌとし、次のプレスステージでの加圧力Ｐ₂を制御する。制御方法は、今、プレス温度Ｔ₂を一定の５８０℃と設定した場合、全体変形量１．７５ｍｍにたいし、△Ｌが０．５０ｍｍまではプレス圧力７０ｋｇｆ／ｍｍ²を加え成形するが、残り１．２５ｍｍにたいしては、Ｐ₂＝｛８０−（係数ａ×△Ｌ）｝ｋｇｆ／ｍｍ²の演算にて制御する。係数ａは△Ｌが１．２５ｍｍのときＰ₂＝５０ｋｇｆ／ｍｍ²になるようａ＝２４と設定する。実際に、９０秒後の変位量△Ｌのばらつきは、ｎ＝５０で、０．７４３ｍｍ〜１．０９１ｍｍであり、変形量△Ｌに応じてプレス圧力Ｐ₂は約６２〜５４ｋｇｆ／ｍｍ²に制御された。そのときの押し切り時間（プレス完了までの時間）は２７秒から３２秒であり、成形されたレンズの充填率も９５％前後で、割れもなく、非常に安定していた。その後、タクトアップ９０秒までＰ₂の圧力で押さえ、冷却ステージに搬送し、従来と同様にＴｇ点以下の温度まで冷却する。ここでは、Ｔ₃を５１０℃に設定し、Ｐ₃を６０ｋｇｆ／ｍｍ²に設定し、９０秒間冷却した。最終、成形機より取り出し、金型を分解、光学素子１９を取り出し成形を完了する。
【００１９】
このようにして成形された光学素子は良好な性能を得ることができた。
【００２０】
本実施の形態では、予熱ステージでの変位量△Ｌに対して、プレス圧力Ｐ₂を制御したが、プレス温度Ｔ₂を制御してもかまわない。また、搬送タクトｔを一定にしたのは、複数個の光学素子を複数個の金型を用い成形するためであって、単体の金型を用いる場合、プレスステージでのタクトを短く制御してもかまわない。また、予熱、冷却ステージの９０秒を２分割し、各ステージを２つ設けてもいっこうにかまわない。その際、成形タクトは４５秒で、生産性はきわめて向上する。
【００２１】
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２について説明する。
【００２２】
図３は、実施の形態２の光学素子成形装置の概念を示す断面図である。下型１１、上型１２、胴型１３で成型用の金型ブロック１４を構成する。ここまでは実施の形態１と同じであるが、以降、予熱ステージ１５、冷却ステージ１７を３分割し、予熱１ステージ２２、予熱２ステージ２３、予熱３ステージ２４、プレスステージ２５、冷却１ステージ２６、冷却２ステージ２７、冷却３ステージ２８を配置した。また、成形装置には前記ブロック１４を順次搬送していく機構を設けている。各ステージでの温度Ｔ、圧力Ｐは、予熱１から冷却３まで順次温度Ｔ₁₁〜Ｔ₁₇、圧力Ｐ₁₁〜Ｐ₁₇と設定されているものとする。予熱３ステージ２４には、変位センサー２０が装備されており、演算処理機能付きシーケンサ２１が制御装置として設けられている。
【００２３】
本実施の形態では、下型１１、胴型１３、上型１２に囲まれたキャビティ内に光学素子材料１０を載置し、前記上下型１１，１２、胴型１３、光学素子材料１０をブロック１４として、予熱１ステージ２２から冷却３ステージ２８まで一定タクトｔで搬送される。まず、ブロック１４は予熱１ステージ２２から予熱３ステージ２４までで予備加熱される。
【００２４】
具体的には、光学素子材料１０にはフツ隣酸系ガラス（ガラス転移点：Ｔｇ３４０℃、ガラス屈伏点：Ａｔ４１０℃）φ２．７２ｍｍのボール研磨硝材を用い、Ｔ₁₁を４００℃、Ｔ₁₂を４２０℃、Ｔ₁₃を４２０℃に設定し、予備加熱を行う。前記予熱１、２ステージ２２、２３での荷重Ｐ₁₁、Ｐ₁₂を２ｋｇｆ／ｍｍ²以下に設定し、光学素子素材１０の変形がほとんどない状態で、予熱３ステージ２４へ搬送する。タクトは３０秒で、予熱３ステージ２４に搬送し、Ｐ₁₃を７ｋｇｆ／ｍｍ²〜１０ｋｇｆ／ｍｍ²に設定し、ガラスの変形が静かに行われる。予熱３ステージ２４で、上型１２の端面に上プレスヘッド２４ａが当接したときの、変位センサー２０の読み込み値をＬ₀として、随時、予熱３ステージ２４の変位センサー２０の読み込み値△Ｌ＝Ｌ−Ｌ₀を初期設定値△Ｌ₀と比較しながら、予熱３ステージ２４での圧力Ｐ₁₃を制御、もしくは、予熱３ステージ２４での加圧を停止するようにする。初期のボール硝材直径φ２．７２ｍｍにたいし、最終レンズの中心厚みが１．５ｍｍであるため、その成形完了までの全体の変形量△Ｌは１．２５ｍｍとなる。本実施例では、前記変形量△Ｌが０．８ｍｍまでは予熱３圧力Ｐ₁₃を７ｋｇｆ／ｍｍ²で加え、△Ｌが０．８ｍｍを越えた時点で２ｋｇｆ／ｍｍ²以下に制御する。結果的にプレスステージ２５での変形量は約０．４５ｍｍと一定にでき、良好な転写面を得ることができた。また、プレスステージ２５でのプレス圧力Ｐ₁₄も予熱３ステージ２４に装備された変位センサー２０と同様のものを載置する事で、制御可能となり、さらに安定した押し切りが可能で、光学素子１９が成形され、光学的性能も非常に安定する。
【００２５】
最後に、冷却１、冷却２ステージ２６、２７でＴｇ点以下に冷却した後、上型１２を胴型１３から抜き取り分解し、光学素子１９を取り出す。なお、成形機チャンバー内はＮ₂還元雰囲気に置換されており、金型の酸化を防止し、および光学素子素材と金型転写面との密着性を低下させている。
【００２６】
このようにして成形された光学素子は良好な性能を得ることができた。
【００２７】
本実施の形態では、予熱３ステージでの変位量△Ｌに対して、予熱ステージ圧力Ｐ₁₃を制御したが、予熱３温度Ｔ₁₂を制御してもかまわない。また、搬送タクトｔを一定にしたが、予熱３ステージ２４での変形が完了すると同時にプレスステージ２５に搬送しても同じ結果が得られる。但し、金型を複数個利用できなくなるので、生産性が落ちる。
【００２８】
【発明の効果】
上記光学素子成形装置や光学素子成形方法によりプレス時の光学素子素材の微妙な成分ばらつきや金型の酸化状況に応じた最適な圧力、温度もしくは時間が設定できる。あるいは、予熱ステージでの変位を一定にすることができ、プレスステージでの押し切り時間のばらつきを低減できる。ひいては、製造管理がしやすく、他品種少量生産にも即座に対応可能であり、機種切り替えも容易になる。
【００２９】
また、金型キャビティ内の充填率を安定させることができ、割れや欠けを低減できる。ひいては、金型を分解し、光学素子を取り出す工程での自動機のトラブルが少なく、装置稼働率が向上される。また、割れや欠けによる光学素子材料の残骸が金型内に残る可能性が低く、残骸による型傷の発生が少なく、金型寿命も延ばすことが可能となり、安価に製造することができる。また、不必要な熱や圧力を加える必要がなく環境にも優しい成形装置にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における光学素子成形装置の概念断面を示す図
【図２】本発明の実施の形態１、２における変位量読みとりのフローチャート図
【図３】本発明の実施の形態２における光学素子成形装置の概念断面を示す図
【符号の説明】
１０光学素子素材
１１下型
１２上型
１３胴型
１４成形ブロック（金型ブロック）
１５予熱ステージ
１６プレスステージ
１７冷却ステージ
１８ヒーター
１９成形された光学素子
２０変位センサー
２１演算処理機能付きシーケンサ
２２予熱１ステージ
２３予熱２ステージ
２４予熱３ステージ
２５プレスステージ
２６冷却１ステージ
２７冷却２ステージ
２８冷却３ステージ（水冷）

Claims

胴型と前記胴型内で摺動する一対の押圧型を有する光学素子成形用型を１つのブロックとし、前記ブロックを予備加熱ステージ、プレスステージ、冷却ステージの各ステージに搬送し、光学素子を成形する光学素子成形方法において、前記予備加熱ステージにおけるガラスの粘度、もしくは一定時間における変形量に応じて、前記粘度もしくは一定時間における変形量が検出されたガラスが搬送されたプレスステージでの、圧力またはプレス時間またはプレス温度の少なくとも１つを制御することを特徴とする光学素子成形方法。
前記予備加熱ステージにおけるガラス変形量は、前記ブロックが前記予備加熱ステージに移載され、予備加熱ヒーターが当接した時を０としてスタートし、移載のタクトアップした時の変形量を読み取ることを特徴とする請求項１記載の光学素子成形方法。
前記プレスステージの圧力は、前記予備加熱ステージにおけるガラス変形量Ｌにたいして、反比例に制御することを特徴とする請求項１記載の光学素子成形方法。
前記プレスステージの圧力は、前記予備加熱ステージにおけるガラス変形量Ｌにたいして、初期値から第１の設定値までは一定圧力とし、前記第１設定値から最終変位量までを反比例に制御することを特徴とする請求項１記載の光学素子成形方法。
胴型と前記胴型内で摺動する一対の押圧型を有する光学素子成形用型を１つのブロックとし、前記ブロックを予備加熱ステージ、プレスステージ、冷却ステージの各ステージに搬送し、光学素子を成形する光学素子成形方法において、ガラスの成形中、予備加熱ステージにおけるガラスの変形位置に応じて、その同じ予備加熱ステージにおける予備加熱圧力をそれまでよりも減少させる、または予備加熱温度または前記プレスステージへの搬送までの時間の少なくとも１つを制御することを特徴とする光学素子成形方法。
前記予備加熱ステージの圧力は、前記予備加熱ステージにおけるガラス変形位置Ｌにたいして、反比例に制御することを特徴とする請求項５記載の光学素子成形方法。
前記予備加熱ステージの圧力は、前記予備加熱ステージにおけるガラス変形位置Ｌにたいして、初期値から第１の設定値までは一定圧力とし、前記第１設定値から最終変位量までを反比例に制御することを特徴とする請求項５記載の光学素子成形方法。
前記予備加熱ステージの圧力は、前記予備加熱ステージにおけるガラス変形位置Ｌにたいして、初期値から第１の設定値までは一定圧力とし、前記第１設定値に達した時点で、加圧０に制御することを特徴とする請求項５記載の光学素子成形方法。
胴型と前記胴型内で摺動する一対の押圧型を有する光学素子成形用型を１つのブロックとし、前記ブロックを予備加熱ステージ、プレスステージ、冷却ステージの各ステージに搬送し、光学素子を成形する光学素子成形方法において、各ステージにおけるガラスの粘度、もしくは一定時間における変形量に応じて、次のステージの圧力または温度の少なくとも１つを制御することを特徴とする光学素子成形方法。
胴型と前記胴型内で摺動する一対の押圧型を有する光学素子成形用型を１つのブロックとし、前記ブロックを予備加熱ステージ、プレスステージ、冷却ステージの各ステージに搬送し、光学素子を成形する光学素子成形装置において、前記予備加熱ステージにおけるガラスの粘度、もしくは一定時間における変形量に応じて、前記粘度もしくは一定時間における変形量が検出されたガラスが搬送されたプレスステージでの、圧力またはプレス時間またはプレス温度の少なくとも１つを制御できることを特徴とする光学素子成形装置。
前記予備加熱ステージにおける前記ガラスの変形量は、変位センサーにより読み込まれ、その読み込み値を比較演算処理しながら、圧力または温度を制御できる装置を具備することを特徴とする請求項１０記載の光学素子成形装置。
胴型と前記胴型内で摺動する一対の押圧型を有する光学素子成形用型を１つのブロックとし、前記ブロックを予備加熱ステージ、プレスステージ、冷却ステージの各ステージに搬送し、光学素子を成形する光学素子成形装置において、ガラスの成形中、予備加熱ステージにおけるガラスの変形位置に応じて、その同じ予備加熱ステージにおける予備加熱圧力をそれまでよりも減少させる、または温度または前記プレスステージへの搬送までの時間の少なくとも１つを制御できることを特徴とする光学素子成形装置。
前記予備加熱ステージにおける前記ガラスの変形位置は、変位センサーにより読み込まれ、その読み込み値を比較演算処理しながら、圧力または温度を制御できる装置を具備することを特徴とする請求項１２記載の光学素子成形装置。