JP3961474B2

JP3961474B2 - ガラスレンズ成形用金型

Info

Publication number: JP3961474B2
Application number: JP2003387634A
Authority: JP
Inventors: 比佐志衣笠; 正守赤松
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2023-11-18
Also published as: JP2005145777A

Description

本発明は、各種光学機器などに用いられるガラスレンズのうち、プレス成形により製造されるガラスレンズの成形用金型に関するものである。

各種光学機器や光学通信機器等に用いられるレンズは、プラスチックレンズとガラスレンズに大別される。ガラスレンズは、プラスチックレンズよりも屈折率の設定自由度が高いことの他、分散の選択性が広いことや耐熱性や耐候性などに優れることなどの理由により広く用いられている。
しかし、ガラスレンズは、射出成形が可能で量産が容易なプラスチックレンズと比較して生産性が低いという問題がある。特に、ガラスレンズを研磨（磨き）により成形する場合、量産が困難となり生産性が著しく低下する。このため近年、ガラスレンズの生産性を向上させるべく、ガラス素材をプレス成形することが行われている。

ガラス素材をプレス成形したガラス成形レンズの製造方法を簡単に説明すると、まず金型内のガラス素材をセットしたのち金型を加熱して、当該金型およびセットされたガラス素材の温度を上昇させる。そしてガラス素材の温度をプレス成形するのに適した温度にまで上昇させ、ガラス素材を軟化させる。この際のガラス素材の温度は、低すぎるとガラス素材がプレスにより変形しないし、逆に温度が高すぎるとガラス素材の粘度が低くなりすぎてプレス成形に適さなくなるので、プレス成形に適した温度（例えば４００℃〜７００℃）に設定される。そして、この状態で圧力を加えて金型をプレスし、その後ガラス素材を保持させたまま金型を冷却し、所定の温度まで冷却したところで成形されたガラスレンズを取り出す。

このようなガラス成形レンズ用の金型として、上型と下型及び胴型を備えたものがある。この金型では、胴型の上下から上型と下型を挿入しつつ当該上型と下型との間にセットしたガラス素材のプレスを行う（特許文献１参照。）。

特開２０００−１５９５２８号公報（第１図〜第３図）

特許文献１に記載の金型によれば、上型と下型とは胴型により調心されるため、成形されたレンズの光軸ズレを少なくすることができるという利点がある。しかし、光軸ズレを最小限に抑えようとした場合には、胴型と上下型とのクリアランスを可能な限り小さくする必要が生ずる。その場合、成型時において金型内に残留するガスが抜けにくくなり、金型内のガス溜まりが成形品に転写してしまったり、成形品にヒケが発生したりするという問題が生ずる。
かかるガス抜きの問題を解決する手法として、図６に示すように、上型２２，下型２３および胴型２１を備えた金型２４において、胴型２１の内周面から外周面まで水平方向に貫通する横貫通孔２０を適宜設けて、この横貫通孔２０によりガス抜きを行うことが考えられる。しかしこの場合、ガス抜きを充分に行うためには所定値以上の孔径を有する横貫通孔２０とする必要があり、かかる孔径の横貫通孔２０では、横貫通孔２０内に成形素材たるガラスが成型時に流れ込み、成形品が取り出せなくなったり成形品のボリュームが変化して成形品の形状精度が悪化したりするなどの問題があった。
また、金型を構成する材料によっては、横貫通孔２０を設けることが困難な場合があった。例えば、金型材料を炭化珪素（ＳｉＣ）とした場合、超硬合金の如く放電加工により横貫通孔２０を開けることはできず、また焼結後の成形品では横貫通孔２０をドリリングすることは困難であり、焼結前の段階で横貫通孔２０をドリリングしたとしても、当該横貫通孔のエッジに欠けやチッピング等が発生してしまうという問題があった。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであり、成型時のガス抜きが充分になされるとともに、成型時におけるガラス素材の流出を最小限に抑え、また金型を貫通する貫通孔が不要であり、さらに光軸ズレを最小限としたガラスレンズの成形が可能なガラスレンズ成型用金型を提供することを目的とずる。

本発明のガラスレンズ成型用金型は、上下方向に延びる貫通孔を有する胴型と、前記貫通孔に挿入される挿入部及びこの挿入部の端面であって成型物との当接面となる挿入部端面を有する上型及び下型と、を備えたガラスレンズ成型用金型において、前記挿入部は、前記挿入部端面を含み且つ前記貫通孔との間に所定のクリアランスＡを有する先端部と、この先端部に段差を有しつつ隣接して設けられ前記貫通孔との間に前記クリアランスＡよりも小さいクリアランスＢを有する中央部と、を備えるとともに、前記中央部の外周面には、当該中央部の外周面を横断する外周溝が設けられており、この外周溝の深さは、前記クリアランスＡよりも深いことを特徴とするものである。

この場合、挿入部端面を含む先端部のクリアランスＡによる隙間からガスが流出する。このガスは、先端部に隣接する中央部の外周面を横断する外周溝へと流入して金型外に放出される。ガスはクリアランスＡによって挿入部端面の全周囲から流出するから、成型物が成形される空間である成形空間に局所的に連通する貫通孔や溝を設ける場合と比較して僅かな隙間で充分なガス抜きが可能となる。よって、かかる隙間への成形素材の流れ込みが無くなり、または最小限とすることができる。また、先端部のクリアランスＡよりも中央部のクリアランスＢのほうを小さくしているため、先端部ではガス抜きに充分なクリアランスＡを確保しつつ、中央部のクリアランスＢを小さくして上型と下型との調心精度を高めることができる。そして、中央部における外周溝の深さはクリアランスＡよりも深いので、クリアランスＢが比較的小さいにもかかわらず中央部によってガス抜きが阻害されず外周溝からガスが流出する。なお、クリアランスＢは、金型加熱時においては０となってもよい。

前記挿入部は、前記中央部に段差を有しつつ隣接して設けられ前記貫通孔との間に前記クリアランスＢよりも大きいクリアランスＣを有する根本部をさらに備えるのが好ましい。この場合、中央部の外周溝を通過したガスが、比較的大きいクリアランスＣの隙間から円滑に流出する。また、中央部のクリアランスＢは比較的小さいので、上型と下型との調心精度が高くなる。

前記中央部と前記先端部との間の段差が２．５μｍ〜５μｍであり、前記外周溝の深さは０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍであるのが好ましい。この段差が小さすぎると、前記クリアランスＡが小さくなってガスが抜けにくい傾向となり、この段差が大きすぎるとクリアランスＡが大きくなって成形素材の流出の可能性が高まる。また、外周溝が浅すぎるとガスが抜けにくい傾向となり、外周溝が深すぎると溝加工が困難となる傾向となる。このような理由により、上記の数値範囲においてクリアランスＡおよび外周溝深さが最適化される。

前記胴型の端面には、当該端面を横断する端面溝が設けられているのが好ましい。この場合、成型時に上型または下型が胴型の端面と当接したとしても、端面溝によりガスが抜けやすくなる。

前記胴型を構成する材料は、前記挿入部を構成する材料よりも熱膨張係数が小さいのが好ましい。この場合、上下型の各挿入部と胴型とのクリアランスは、金型加熱前よりも加熱後のほうが小さくなる。したがって、金型加熱前における各挿入部の胴型への挿入を円滑とすることができ、且つ、加熱成型時には各挿入部と胴型とのクリアランスを最小限とすることができ、調心精度を高めることができる。

成型時のガス抜きが充分になされるとともに、成型時におけるガラス素材の流出を最小限に抑え、また金型を貫通する貫通孔が不要であり、さらに光軸ズレを最小限としたガラスレンズの成形が可能なガラスレンズ成型用金型を提供することができる。

以下に、図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態である金型１によりプレス成形物７たるガラスレンズをプレス成形する様子を示す断面図であり、図１（ａ）はプリフォーム（ガラス素材）６をセットしたプレス前の状態を示し、図１（ｂ）はプレス成形物７が形成されたプレス後の状態を示している。

この図１（ａ），（ｂ）に示すように、この金型１は、上下方向に延びる貫通孔１０を有する胴型２と、貫通孔１０の上側から貫通孔１０に挿入される挿入部としての上型挿入部３ａを有する上型３と、貫通孔１０の下側から貫通孔１０に挿入される挿入部としての下型挿入部４ａを有する下型４と、これら上型挿入部３ａと下型挿入部４ａとの間で成形物７であるガラスレンズを成形するための成形空間５と、を備えている。貫通孔１０の断面形状は、その長手方向各位置の全てにおいて同一形状とされ、貫通孔１０は段差なく上下方向に延びている。上型挿入部３ａの端面（成形空間５側端面）は成型物との当接面となる挿入部端面としての上型端面３ｂである。下型挿入部４ａの端面（成形空間５側端面）は成型物との当接面となる挿入部端面としての下型端面４ｂである。本実施形態では、上型端面３ｂには非球面状の凸曲面部３ｃがある一方、下型端面４ｂは平面とされている。そして、図示しないプレス機等を用いて、胴型２に挿入された上型３と下型４とが近づくようにプレスしてこれら上下型の両端面３ｂ，４ｂの形状を成形物７に転写する。

ここで、下型４の詳細構成について説明する。なお、下型４と上型３との相違は、上型挿入部３ａと下型端面４ｂとの形状が相違する（上型３の上型挿入部３ａには凸曲面部３ｃが設けられているのに対して、下型４の下型端面４ｂは平面とされている）ことのみであり、上型３の構造はかかる相違点を除き下型４と同様であるため説明を省略する。

図２は、下型４の側面図である。下型４は、扁平な略円柱形状の基部４ｄと、この基部４ｄの上側端面の中央部分から上方に突設されている略円柱形状の下型挿入部４ａからなる。基部４ｄの外径は下型挿入部４ａの外径よりも大とされているため、基部４ｄの下型挿入部４ａ側には下型段差面４ｅが形成されている。

そして、下型挿入部４ａの外周面には、周回する先寄り段差ｄ１及び根本寄り段差ｄ２なる２つの段差があり、かかる段差ｄ１，ｄ２により、下型挿入部４ａは、先端部ｓ、中央部ｃ及び根本部ｍの３つの部分に区分される。
図４は、図１（ｂ）に示すように下型４が胴型２に挿入された状態における下型挿入部４ａの外周面及び胴型２の内周面付近（図１（ｂ）において破線で囲まれた範囲）の拡大断面図である。この図４及び図２に示すように、下型挿入部４ａは、下型端面４ｂを含み且つ胴型２の貫通孔１０との間に所定のクリアランスＡを有する先端部ｓと、この先端部ｓに先寄り段差ｄ１を有しつつ隣接して設けられ貫通孔１０との間にクリアランスＡよりも小さいクリアランスＢを有する中央部ｃと、この中央部ｃに根本寄り段差ｄ２を有しつつ隣接して中央部ｃと基部４ｄとの間に設けられ貫通孔１０との間にクリアランスＢよりも大きいクリアランスＣを有する根本部ｍと、を備える。

図３（ａ）は、図２のＢ−Ｂ線における下型４の断面図であり、図３（ｂ）は、図２のＡ−Ａ線における下型４（の中央部ｃ）の断面図である。図３（ｂ）に示すように、中央部ｃ外周面には、中央部ｃの外周面を上下方向（縦方向）に横断する外周溝８が、周方向４カ所に等間隔で（周方向に９０度おきに）設けられている。そして、この外周溝８の深さｆは、前述した先端部ｓと胴型２との間のクリアランスＡよりも深い。

先端部ｓと中央部ｃとの間の段差である先寄り段差ｄ１の大きさは２．５μｍ〜５μｍの範囲とされている。そして、前記外周溝８の深さｆは０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ程度とされ、外周溝８の幅ｗは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度とされている（図４、図３（ｃ）参照）。なお、図２〜図４及び後述の図５においては、理解を容易とするため、先寄り段差ｄ１、根本寄り段差ｄ２及び外周溝８の幅ｗや外周溝８の深さｆなどを実際よりも適宜大きく表示している。

胴型２は、高密度炭化珪素（ＳｉＣ）からなり、焼結成形により作製されたものである。この高密度炭化珪素（ＳｉＣ）の熱膨張係数（線膨張係数）は２５℃〜６００℃まで温度変化させた場合の平均値で４．０×１０^−６／℃〜４．２×１０^−６／℃程度である。また、上型３及び下型４は、超硬合金よりなり、この超硬合金の熱膨張係数（線膨張係数）は２５℃〜６００℃まで温度変化させた場合の平均値で５．５×１０^−６／℃〜５．７×１０^−６／℃程度である。
このように、胴型２を構成する高密度炭化珪素（ＳｉＣ）の熱膨張係数は、上型３や下型４を構成する超硬合金の熱膨張係数よりも小さい。

常温（２０℃）では、上下型３，４の各中央部ｃと胴型２との間のクリアランスＢは５〜１０μｍとされており、上型３（の上型挿入部３ａ）及び下型４（の下型挿入部４ａ）を胴型２の貫通孔１０にスムースに挿入することが可能となっている。例えば、胴型２の貫通孔１０の断面が円形であり、上型挿入部３ａと下型挿入部４ａとの断面も円形である場合、上下型３，４の各中央部ｃの外径を常温時で１２．０００ｍｍとし、胴型２の貫通孔１０の内径を常温時で１２．０１０ｍｍとすると、（１２．０１０−１２．０００）／２の計算式により、クリアランスＢは０．００５ｍｍ、即ち５μｍと算出される。そして、成形の際に金型１をプレス温度（６００℃程度）にまで加熱すると、上型３、下型４及び胴型２は熱により膨張するが、胴型２の熱膨張係数は上型３や下型４の熱膨張係数よりも小さいため、胴型２よりも上型３や下型４のほうが膨張度合いが大きく、その結果クリアランスＢは常温時よりも小さくなる。そして、クリアランスＢは加熱成型時には１μｍ以下となっている。

図５（ｂ）は、胴型２を下方からみた平面図であり、図５（ａ）は、図５（ｂ）のＣ−Ｃ線における胴型２の断面図である。
この図５に示すように、胴型２の上側端面２ａ及び下側端面２ｂには、当該端面２ａ，２ｂを径方向に横断する上側端面溝９ａ及び下側端面溝９ｂが設けられている。下側端面溝９ｂは、下側端面２ｂの周方向９０度おきに合計４つ設けられており、同様に上側端面溝９ａは上側端面２ａの周方向９０度おきに合計４つ設けられている。よって、胴型２を上方から見た平面図も図５（ｂ）と同一となる。

以上のように構成された金型１は、次のような作用効果を奏する。
図４に矢印で示すように、加熱成形時において、先端部ｓのクリアランスＡにより成形空間５からガスｇが流出する。このガスｇは、先端部ｓに先寄り段差ｄ１を有しつつ隣接する中央部ｃの外周面を横断する外周溝８へと流入し、さらに根本部ｍのクリアランスＣを通過して金型外に放出される。なお、外周溝８は中央部ｃの外周面を横断して設けられているから、当該外周溝８により、先端部ｓのクリアランスＡから中央部ｃを通って根本部ｍにまで連通するガス通路が形成されていることになる。ガスｇは、クリアランスＡによって挿入部端面の全周囲から流出するから、成形空間５に局所的に連通する貫通孔や溝を設けてガスを抜く場合と比較して、僅かなクリアランス（隙間）で充分なガス抜きが可能となる。よって、かかる隙間への成形素材の流れ込みが無くなり、またはこの流れ込みを最小限とすることができる。また、先端部ｓのクリアランスＡよりも中央部ｃのクリアランスＢのほうがクリアランスが小さいので、ガス抜き性を充分確保しつつ上型３と下型４との調心精度が高まる。よって、成形物たるガラスレンズの光軸ズレが最小限に抑えられる。さらに、中央部ｃにおける外周溝８の深さｆはクリアランスＡよりも深いので、クリアランスＢが比較的小さいにもかかわらず中央部ｃによってガス抜きが阻害されず外周溝８からガスｇが流出する。さらに、中央部ｃの外周溝８を通過したガスｇが、比較的大きいクリアランスＣにより円滑に流出する。

また、クリアランスＡが小さすぎるとガスｇが抜けにくい傾向となり、クリアランスＡが大きすぎると成形素材の流出の可能性が高まる。そこで、先端部ｓと中央部ｃとの間の段差である先寄り段差ｄ１を２．５μｍ〜５μｍとして、ガス抜け性を確保しつつ成形素材の流出を無くすことができた。前述のように、加熱成型時には、中央部ｃと胴型２との間のクリアランスＢは１μｍ以下となるが、仮にこのクリアランスＢが０となったとしても、先端部ｓと胴型２との間には先寄り段差ｄ１分だけのクリアランスが確保されてガス抜け性が確保される。

外周溝８は、浅すぎるとガスｇが抜けにくい傾向となり、外周溝８が深すぎると溝加工が困難となる傾向となる。そこで、外周溝８の深さｆを０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍとして最適化した。また、同様に、ガス抜け性を充分確保するため外周溝８の幅ｗは０．１ｍｍ以上とし、且つ溝加工の容易性を確保すべくこの幅ｗを１．０ｍｍ以下とした。

胴型２の上側端面２ａ及び下側端面２ｂに、端面溝としての上側端面溝９ａ及び下側端面溝９ｂを設けているため、成型時に上型３の上型段差面３ｅまたは下型４の下型段差面（図１参照）４ｅが胴型２の各端面２ａ，２ｂと当接した場合であっても、これら端面溝９ａ，９ｂを通ってガスｇが抜けやすくなる。なお成型時において、上型３の上型段差面３ｅと胴型２の上側端面２ａとは当接しない場合もあるが、下型４の下型段差面４ｅと胴型２の下側端面２ｂとは通常当接するため、特に胴型２の下側端面２ｂに下側端面溝９ｂを設けておくことが好ましい。
また、これらの端面溝９ａ，９ｂとともに上型３及び下型４に根本部ｍを設けた場合には、当該根本部ｍのクリアランスＣから各端面溝９ａ，９ｂを通ってガスｇが流出しやすくなるため、ガス抜け性がより一層向上する。なお、端面溝９ａ，９ｂの溝幅及び溝深さについては、前述した外周溝８と同様の理由により、溝幅は０．１ｍｍ〜１．０ｍｍが好ましく、溝深さは０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍが好ましい。

胴型２を構成する材料は、上型３の上型挿入部３ａおよび下型４の下型挿入部４ａを構成する材料よりも熱膨張係数が小さいので、上下型３，４の各挿入部３ａ，４ａと胴型２とのクリアランス（特に前述のクリアランスＢ）は、金型加熱前よりも加熱後のほうが小さくなる。したがって、金型加熱前における各挿入部３ａ，４ａの胴型２（の貫通孔１０）への挿入を円滑とすることができ、且つ、加熱成型時には各挿入部３ａ，４ａと胴型２の中央部ｃとのクリアランスＢを最小限とすることができ、調心精度を高めることができる。

本発明の一実施形態である金型によりプレス成形する様子を示す断面図であり、（ａ）はプリフォームをセットしたプレス前の状態を示し、（ｂ）はプレス成形物が形成されたプレス後の状態を示す。本発明の一実施形態である金型における下型の側面図である。（ａ）は、図２のＢ−Ｂ線における下型の断面図であり、（ｂ）は、図２のＡ−Ａ線における下型の断面図であり、（ｃ）は、外周溝の拡大断面図である。図１（ｂ）の破線で囲む範囲における図１（ｂ）の拡大図である。（ａ）は胴型の断面図であり、（ｂ）は胴型を上方（または下方）から見た平面図である。従来の金型の断面図である。

符号の説明

１金型
２胴型
３上型
３ａ上型挿入部
３ｂ上型端面（挿入部端面）
４下型
４ａ下型挿入部
４ｂ下型端面（挿入部端面）
８外周溝
９ａ上側端面溝（端面溝）
９ｂ下側端面溝（端面溝）
１０貫通孔
ＡクリアランスＡ
ＢクリアランスＢ
ＣクリアランスＣ
ｓ先端部
ｃ中央部
ｍ根本部
ｆ外周溝の深さ
ｄ１先寄り段差（段差）

Claims

上下方向に延びる貫通孔を有する胴型と、
前記貫通孔に挿入される挿入部及びこの挿入部の端面であって成型物との当接面となる挿入部端面を有する上型及び下型と、
を備えたガラスレンズ成型用金型において、
前記挿入部は、
前記挿入部端面を含み且つ前記貫通孔との間に所定のクリアランスＡを有する先端部と、この先端部に段差を有しつつ隣接して設けられ前記貫通孔との間に前記クリアランスＡよりも小さいクリアランスＢを有する中央部と、を備えるとともに、
前記中央部の外周面には、当該中央部の外周面を横断する外周溝が設けられており、この外周溝の深さは、前記クリアランスＡよりも深いことを特徴とするガラスレンズ成形用金型。
前記挿入部は、前記中央部に段差を有しつつ隣接して設けられ前記貫通孔との間に前記クリアランスＢよりも大きいクリアランスＣを有する根本部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガラスレンズ成型用金型。
前記中央部と前記先端部との間の段差が２．５μｍ〜５μｍであり、前記外周溝の深さは０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のガラスレンズ成型用金型。
前記胴型の端面には、当該端面を横断する端面溝が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガラスレンズ成型用金型。
前記胴型を構成する材料は、前記挿入部を構成する材料よりも熱膨張係数が小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガラスレンズ成型用金型。