JP3883634B2 - 光学素子のプレス成形用金型 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子のプレス成形用金型に係り、特に、ｆ・θレンズあるいはシリンドリカルレンズなどの非球面及び異形レンズの製造に適したプレス成形用金型の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光産業は高度情報化社会を支える産業といわれ、光ディスク、光プリンタ、光通信システムなどが急速に発展している。また、パーソナルコンピュータの普及に伴い、高画質で高速度という特徴をもつレーザプリンタの小型化、低価格化が進み、広く普及している。レーザプリンタに必要不可欠なｆ・θレンズは、非常に高精度な光学素子で、装置の小型化、低価格化から非球面形状が要求されるとともに、面粗さ、形状についても高い精度が要求されている。
【０００３】
図３にシリンドリカル面とトーリック面を有するｆ・θレンズの例を示す。
一般的に、光学レンズ等を製造する際、原料としてプラスチックを用いる場合には、射出成形法または射出圧縮成形法が採用されている。しかし、この場合、比較的、寸法精度の高いレンズが得られるものの、レンズ内の密度及び屈折率を均一にすることが難しいことや、温度、湿度などの使用環境の影響を受けて光学的な特性が変化し易いなどの問題がある。
【０００４】
一方、原料としてガラスを用いる場合、軟化させたガラスを金型を用いて概略のレンズ形状にプレス成形して生地を作成した後、粗研削、精研削、研磨加工、アニールなどの工程を経て、製品に仕上げている。この他、円板状の素材の一部を切断し、研削、研磨等の加工を行って製造する方法もある。しかし、この様な製造工程を用いて非球面形状やトーリックレンズなどを製造することは容易ではなく、また、要求される形状精度、面粗度を得るためには熟練技術が必要となる。この結果、製品が非常に高価なものになるので、上記の様な製造方法は非球面レンズの製造にはあまり採用されていない。
【０００５】
近年、ガラス製の光学レンズをプレス成形によって製造する方法が開発され、眼鏡レンズ、カメラレンズ等で使用されるようになった。更に、丸形状の非球面あるいは球面レンズを製造する方法が開発され、トーリックレンズ及びシリンドリカルレンズ等の複雑な形状の異型レンズについても、高精度なものが製造できるようになってきている。以上の様な背景から、光学ガラス製の高精度なｆ・θレンズをプレス成形によって、直接、製造し、大量、安価に供給することが求められている。
【０００６】
ところで、ガラス製の光学レンズをプレス成形によって製造する場合、プレス成形後、金型から成形品を取り出す際に、丸形状のレンズの場合にはバキュームを用いて容易に取り出すことが可能であるが、トーリックレンズあるいはシリンドリカルレンズなどの場合には、金型によって成形される面が、光学面及び基準面の４面となり、それらの面が金型鏡面と密着しているので、バキュームを用いて金型から成形品を取り出すことが容易ではない。
【０００７】
更に、ガラス成形機のコンパクト化の志向、その構造上の制約、金型の大きさの制限、成形の際の高い温度などから、プラスチックレンズの射出成形機や射出成用金型で使用されているような押し出し機構を金型に設けることが困難である。即ち、射出成形法や射出圧縮成形法に使用される金型の場合、レンズ面以外の樹脂の流れるランナー部あるいは予肉部をエジェクタピンで押し出す構造や、ストリッパ構造が採用できる。しかし、ｆ・θレンズの場合、この様な構造を採用することができないので、直接、成形体を光学面を用いて押し出さなければならない。
【０００８】
以上の様に、ｆ・θレンズをプレス成形によって製造する場合、金型から成形品を取り出すことが容易ではなく、このため金型からの搬出の際にオートローダの使用ができず、搬入、搬出を手動で行われなければならないので、無人化、多台持ちができないという問題があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の様な問題点に鑑みて成されたもので、本発明は、ｆ・θレンズなどの様な異形レンズをプレス成形によって製造する場合、金型から成形品を容易に取り出すことが可能なプレス成形用金型の構造を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学素子のプレス成形用金型は、オス型及びメス型で構成され、
前記メス型は、
ダイプレートと、
ダイプレートの表面に固定され、中央に開口部を有するメス型ダイと、
この開口部に嵌合し、この開口部の側壁とともにメスキャビティを形成するメス型コアと、
メス型コアの背面側に固定された支持プレートと、
ダイプレートの表面に埋め込まれ、支持プレートを介して背面側からメス型コアを支持するコイルバネと、
型締めの際、オス型がメス型に対して相対的に前進する動きに伴って、支持プレートを押し下げてコイルバネを圧縮し、支持プレートの背面をダイプレートの表面に密着させる手段とを備え、
プレス成形終了後、型開きの際、プレス成形品がメス型コアとともに前記コイルバネの復元力によって前記開口部から押出される様になっていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の光学素子のプレス成形用金型は、オス型及びメス型で構成され、
前記メス型は、
ダイプレートと、
ダイプレートの表面に固定され、中央に開口部を有するとともに、この開口部の周囲に上下方向に貫通する複数の貫通孔が形成されたメス型ダイと、
この開口部に嵌合し、この開口部の側壁とともにメスキャビティを構成するメス型コアと、
メス型コアの背面側に固定された支持プレートと、
ダイプレートの表面に埋め込まれ、支持プレートを介して背面側からメス型コアを支持するコイルバネと、
前記各貫通孔の中に配置されたリターンピンとを備え、
型締めの際、オス型がメス型に対して相対的に前進する動きに伴って、オス型でリターンピンを押し下げ、これによって支持プレートを押し下げてコイルバネを圧縮し、支持プレートの背面をダイプレートの表面に密着させるとともに、プレス成形終了後、型開きの際、プレス成形品がメス型コアとともに前記コイルバネの復元力によって前記開口部から押出される様になっていることを特徴とする。
【００１２】
本発明に基づくプレス成形用金型によれば、目標形状に近い形状に予備加工されたガラス素材を、メス型ダイの中央に設けられた開口部とメス型コアの表面とによって形成されたメスキャビティに収容した後、型締めが行われる。型締めの際、オス型がメス型に対して相対的に前進する動きに伴って支持プレートが押し下げられてコイルバネが圧縮され、支持プレートの背面がダイプレートの表面に密着する。これによって、メス型コアがメス型ダイの開口部の所定の位置で停止し、この状態で、前記ガラス素材のプレス成形が行われる。プレス成形の終了後、型開きの際、オス型がメス型に対して相対的に後退する動きに伴ってコイルバネが解放され、コイルバネの復元力によってプレス成形品がメス型コアと共に前記開口部から押出される。この様にして、メス型に形成されたメスキャビティからプレス成形品を容易に取り出すことができる。
【００１３】
なお、例えば、メス型ダイの中央に設けられた開口部の周囲に上下方向に貫通する複数の貫通孔を形成し、これらの各貫通孔にリターンピンを配置することによって、型締めの際、オス型がメス型に対して相対的に前進する動きに伴って、これらのリターンピンを介して支持プレートを押し下げてコイルバネを圧縮することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図２に、本発明に基づくプレス成形用金型が使用されるガラス製の光学素子のプレス成形装置の全体構成の一例を示す。図中、３０はプレス成形される素材、１１は下型（メス型）、１３はメス型コア、１４は移動ダイ（メス型ダイ）、１２はダイプレート、９は移動軸、４は上型（オス型）、６はオス型コア、７は固定ダイ（オス型ダイ）、５はダイプレート、２は固定軸を表す。
【００１５】
フレーム１の上部から固定軸２が下方に向かって伸びており、その下端には、セラミック製の断熱筒３を介して、上型４がボルトによって取付けられている。この上型４は、金属製のダイプレート５、ダイプレート５の下側に配置されるセラミック製のオス型コア６、及びダイプレート５の下側に取り付けられ、オス型コア６を周囲から支持するとともに型の一部をなす固定ダイ７から構成されている。
【００１６】
フレーム１の下部には駆動装置８が配置され、駆動装置８の上側には荷重検出装置８ｂを介して移動軸９が取付けられている。移動軸９は、駆動装置８の上方に位置する中間プレート１ａを貫通して上方に伸び、固定軸２と対向している。駆動装置８はスクリュージャッキを内蔵しており、サーボモータ８ａの回転運動を直線運動に変換して移動軸９を上下方向に駆動する。また、移動軸９は、制御装置２６に入力されたプログラムに従って、その速度、位置およびトルクが制御される。
【００１７】
移動軸９の上端には、セラミック製の断熱筒１０を介して、下型１１が固定されている。この下型１１は、金属製のダイプレート１２、ダイプレート１２の上側に配置されるセラミック製のメス型コア１３、及びダイプレート１２の上側に取り付けられ、メス型コア１３を周囲から支持するとともに型の一部をなす移動ダイ１４から構成されている。ダイプレート１２の下面には温度検出用の熱電対２５が取り付けられている。
【００１８】
固定軸２からは、駆動装置（図示せず）によって上下動されるブラケット１５が、上下方向の移動が可能な状態で吊り下げられている。ブラケット１５には上型４及び下型１１の周囲を囲む透明石英管１６が取付けられている。透明石英管１６の下端部を中間プレート１ａ上に設置されたシールプレート１ｂに当接させることによって、上型４及び下型１１の周囲に気密性を備えた成形室１７が形成されるようになっている。更に、ブラケット１５には透明石英管１６の周囲を囲む外筒１８が取付けられ、外筒１８にはランプユニット１９が取付けられている。ランプユニット１９は、赤外線ランプ２０とその後方に配置された反射ミラー２１から構成されており、上型４及び下型１１を加熱するようになっている。
【００１９】
固定軸２及び移動軸９の内部には、成形室１７内に不活性ガスを導入し、あるいは上型４及び下型１１を冷却するためのガス供給路２２、２３がそれぞれ形成されている。断熱筒３とダイプレート５との接触面、及び断熱筒１０とダイプレート１２との接触面には、それぞれ、溝２７及び２８が設けられている。不活性ガスは、装置の外部から、ガス供給路２２（あるいは２３）、断熱筒３（あるいは１０）の内部、及び溝２７（あるいは２８）を順に通って、成形室１７の内部へ供給される。成形室１７の内部へ供給された不活性ガスは、シールプレート１ｂの内部に形成された排気口２４から排出される。
【００２０】
図１に、本発明に基づくプレス成形用金型の一例を示す。この金型は先に図３で示したｆ・θレンズ用の金型である。図中、４０は予備加工済みのガラス素材、１１は下型（メス型）、４は上型（オス型）を表す。
【００２１】
上型４は、ダイプレート５、固定ダイ７（オス型ダイ）、セラミック製のオス型コア６及び上部ピン３４（突起部）などから構成される。
固定ダイ７は中央に開口部を備え、ダイプレート５の下面に取り付けられる。オス型コア６は、この開口部に収容され、固定ダイ７によってダイプレート５に固定される。上部ピン３４は、ダイプレート５の下面に取り付けられ、固定ダイ７の開口部の周囲に設けられた貫通孔３３を貫通し、その先端が固定ダイ７の下面から所定の長さだけ突出している。
【００２２】
下型１１は、ダイプレート１１、移動ダイ１４（メス型ダイ）、セラミック製のメス型コア１３、支持プレート３１、セラミック製のコイルバネ３２、リターンピン３６、ガイドピン３８などから構成される。
【００２３】
移動ダイ１４は中央に開口部を有し、ダイプレート１１の上面に取り付けられる。メス型コア１３は、この開口部に収容され、メス型コア１３の上面とこの開口部の側壁面とによってメスキャビティが形成される。この開口部は移動ダイ１４の背面側で断面が拡大されており、この拡大断面部分に支持プレート３１が収容されている。メス型コア１３は支持プレート３１の上面の中央部にボルト（図示せず）で固定されている。ダイプレート１１の上面には二個のコイルバネ３２が埋め込まれ、支持プレート３１の背面はこれらのコイルバネ３２で支持されている。更に、支持プレート３１の周縁部の二箇所には上下方向にガイド孔３７が形成され、これらのガイド孔３７にはそれぞれガイドピン３８が貫通している。このガイドピン３８の下端部はダイプレート１１の上面に固定されている。これによって、メス型コア１３はガイドピン３８に沿って上下方向の移動が可能である。
【００２４】
支持プレート３１の周縁部の上面にはリターンピン３６が取り付けられている。リターンピン３６は、移動ダイ１４の開口部の周囲に形成された貫通孔３５を貫通し、リターンピン３６の先端は移動ダイ１４の上面と同一の高さに位置している。なお、このリターンピン３６は前記の上部ピン３４と互いに対応する位置に配置されている。
【００２５】
型締めの際、下型１１を移動軸９（図２）によって上昇させて、上型４に対して前進させると、上部ピン３４がリターンピン３６の先端に突き当たり、上部ピン３４によってリターンピン３６が下方に押し下げられ、これによって支持プレート３１が下方に押し下げられてコイルバネ３２が圧縮され、支持プレート３１の背面（下面）がダイプレート１２の上面に密着する。メス型コア１３は支持プレート３１とともに下方へ押し下げられ、所定の位置で停止する。
【００２６】
一方、型開きの際、下型１１を移動軸９（図２）によって下降させて、上型４から引き離すと、上部ピン３４がリターンピン３６の先端から離れ、これによりコイルバネ３２が解放され、コイルバネ３２の復元力によって支持プレート３１が上方へ押し上げられる。これに伴って、メス型コア１３及びガラス素材４０が、メスキャビティから押し出される。
【００２７】
なお、型締め前の状態で、リターンピン３６の上端部が移動ダイ１４の上面から所定量だけ突出するようにすれば、固定ダイ７側に前記の上部ピン３４を設けなくても、固定ダイ７の下面でリターンピン３６を押し下げることもできる。また、リターンピン３６を固定ダイ７側に取り付けて、このリターンピン３６が前記貫通孔３５を介して支持プレート３１を、直接、押下げるようにすることもできる。
【００２８】
【実施例】
次に、図１に示した金型を図２に示したプレス成形装置に取り付けてｆ・θレンズを製作した結果について説明する。
先ず、非球面加工機およびポリシングマシンを用いて、上型コア６及び下型コア１３を作成し、これらを用いて上型４及び下型１１を組立てた。
【００２９】
次に、ガラス素材（ＳＦ１０、ＳＣＨＯＴＴ社製、屈折率１．７２８２５、ガラス転移点４５３℃）を予備加工して、目標形状に近い形状に仕上げたものを準備し、このガラス素材４０を下型１１のメスキャビティに収容し、プレス成形を行った。なお、プレス成形は、先ず、５８０℃に加熱して、５００ｋｇｆの荷重を加えて１分間プレスし、その後、除荷して２００℃まで冷却しすることによって行った。
【００３０】
なお、コイルバネ３２としては、耐熱温度１０００℃の窒化珪素セラミック製で、コイル径１８．４ｍｍ、バネ定数２．４５Ｎ／ｍｍ、荷重１．７２５ｋｇｆを２個、使用した。このセラミック製のコイルバネを使用することで十分、プレス成形体４０を押出すことができた。
【００３１】
上記の方法で製作されたｆ・θレンズのＰ−Ｖ値は、０．０３２μｍ、面粗度は、Ｒｙ＝０．０５μｍであり、形成されたレンズ形状が、金型のコア形状を確実に転写し、基準となる面も形成されていた。この数値は十分、ｆ・θレンズの機能を果たすものであった
なお、以上の例では、ＳＦ１０を用いた例について説明したが、ｆ・θレンズの機能を果たすものであればガラス材質が限定されるものではない。また、使用した金型形状は、上型４がトーリック面、下型１１がシリンドリカル面であるが、本発明に基づくプレス成形用金型はプリズム等にも適用することが可能であり、形状について特に限定されるものではない。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の光学素子のプレス成形用金型を使用すれば、プレス成形後の成形品が、ダイプレートに埋め込まれているコイルバネの復元力によって、自動的にメス型から押し出されるので、成形品の取り出しが容易になる。これによって、オートローダ等の使用が可能になり、プレス成形工程の無人化、省力化などの実現に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくプレス成形用金型の概略構成図、（ａ）はメス型コアの長手方向に沿った中央断面図、（ｂ）は（ａ）に対して垂直方向の中央断面図を表す。
【図２】本発明に基づくプレス成形用金型が使用されるプレス成形装置の全体構成を示す概略構成図。
【図３】シリンドリカル面とトーリック面を有するｆ・θレンズの形状を表す図。
【符号の説明】
１・・・フレーム、２・・・固定軸、３・・・断熱筒、４・・・上型（オス型）、５・・・ダイプレート、６・・・オス型コア、７・・・固定ダイ（オス型ダイ）、８・・・駆動装置、８ａ・・・サーボモータ、８ｂ・・・荷重検出装置、９・・・移動軸、１０・・・断熱筒、１１・・・下型（メス型）、１２・・・ダイプレート、１３・・・メス型コア、１４・・・移動ダイ（メス型ダイ）、１５・・・ブラケット、１６・・・透明石英管、１７・・・成形室、１９・・・ランプユニット、２０・・・赤外線ランプ、２１・・・反射ミラー、２３、２４・・・ガス供給路、２５・・・熱電対、２６・・・制御装置、３１・・・支持プレート、３２・・・コイルバネ、３３・・・貫通孔、３４・・・リターンピン、３５・・・貫通孔、３６・・・上部ピン、、、３７・・・ガイド孔、３８・・・ガイドピン。

Claims (4)

1. オス型及びメス型で構成される光学素子のプレス成形用金型において、
   前記メス型は、
   ダイプレートと、
   ダイプレートの表面に固定され、中央に開口部を有するとともに、この開口部の周囲に上下方向に貫通する複数の貫通孔が形成されたメス型ダイと、
   この開口部に嵌合し、この開口部の側壁とともにメスキャビティを構成するメス型コアと、
   メス型コアの背面側に固定された支持プレートと、
   ダイプレートの表面に埋め込まれ、支持プレートを介して背面側からメス型コアを支持するコイルバネと、
   前記各貫通孔の中に配置されたリターンピンとを備え、
   型締めの際、オス型がメス型に対して相対的に前進する動きに伴って、オス型でリターンピンを押し下げ、これによって支持プレートを押し下げてコイルバネを圧縮し、支持プレートの背面をダイプレートの表面に密着させるとともに、プレス成形終了後、型開きの際、プレス成形品がメス型コアとともに前記コイルバネの復元力によって前記開口部から押出される様になっていることを特徴とする光学素子のプレス成形用金型。
2. 前記支持プレートは、前記メス型コアを支持する面の周囲に上下方向に貫通する複数のガイド穴を備えるとともに、
   前記ダイプレートは、各ガイド穴に嵌合するガイドピンを備え、
   前記支持プレートは、これらのガイドピンに沿って上下方向に移動することを特徴とする請求項１に記載の光学素子のプレス成形用金型。
3. 前記リターンピンは、その一端が前記支持プレートに固定されるとともに、その他端が前記メス型ダイの表面から突出し、
   型締めの際、前記オス型で前記リターンピンを押し下げ、これによって前記支持プレートを押し下げて前記コイルバネを圧縮することを特徴とする請求項１に記載の光学素子のプレス成形用金型。
4. 前記リターンピンは、その一端が前記支持プレートに固定されるとともに、その他端が前記メス型ダイの表面付近に位置し、
   前記オス型は、このリターンピンに対応する位置に突起部を備え、
   型締めの際、この突起部で前記リターンピンを押し下げ、これによって前記支持プレートを押し下げて前記コイルバネを圧縮することを特徴とする請求項１に記載の光学素子のプレス成形用金型。

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