JP4233972B2

JP4233972B2 - 光学素子成形方法

Info

Publication number: JP4233972B2
Application number: JP2003349275A
Authority: JP
Inventors: 孝行永原; 正行高橋; 亨中川; 克喜新宮
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2023-10-08
Also published as: JP2005112673A

Description

本発明は、プリフォーム素材をプレス成形して光学機器に使用するレンズ、ミラー、プリズムなどの光学素子を成形する光学素子成形方法及び装置に関するものである。

従来のカメラなどの光学レンズは、研磨などのプロセスにより製造されてきたが、近年のＤＳＣやビデオカメラ、レーザープリンタなどの光学素子を使用している商品では、その高性能化や小型化、軽量化、また低コスト化のために、非球面のレンズが多く使われている。特に、射出成形による樹脂の非球面レンズでは対応しきれない高性能なガラスの非球面レンズの製造には、ガラスをプレス成形する方法がとられている（例えば、特許文献１参照。）。

従来のガラスのプレス成形による一般的なレンズ成形装置及び成形工程を図５を参照して説明する。図５において、セットステージＳ１で、筒状の胴型１と、この胴型１内に固定された下型２ｂと、この下型２ｂに対して胴型１内を移動可能に配置された上型２ａの間に、樹脂やガラス素材から成るプリフォーム素材４を供給し、胴型１の外側に所定のレンズ厚みになるように任意の高さ寸法に調整した外胴型３をセットする。プリフォーム素材４は、図５に示すような球状のものや、円柱状、あるいは最終レンズ形状近くまで成形された形状のものなど、レンズ形状によって任意に選択される。次に、胴型１、上下型２ａ、２ｂ及び外胴型３から成る成形型を投入ステージＳ２に移し、成形装置の入口にあるシャッタ５を開いて予備加熱ステージＳ３に移送する。成形装置内は、酸素濃度を管理できるように密閉度を考慮した構造で、窒素雰囲気に保たれている。予備加熱ステージＳ３で予備加熱装置６にて成形型が予備加熱され、予備加熱終了後成形型は成形ステージＳ４に移送される。成形ステージＳ４上で成形可能温度まで型温が上げられた後、上ヒータブロック７でプリフォーム素材４を加圧する。レンズ肉厚は外胴型３の高さによって制御される。加圧一定時間経過後、上下ヒータの温度を下げ、ガラスが変形しない温度まで型温を下げる。その後、ヒータブロック７を上昇させ、続いて成形装置出口のシャッタ８を開けて成形型を取り出し、冷却ステージＳ５まで移送する。そして、取り出し可能温度まで成形型を冷却して取り出しステージＳ６に移送し、成形レンズ９を取り出す。

プレス前後のレンズの搬送形態としては、プリフォーム素材４のセットから成形レンズ９の取り出しまで、胴型１と上下型２ａ、２ｂを含む成形型一式で搬送させる方式が主流である。こうして胴型１に対して上型２ａと下型２ｂのクリアランス調整を行うことにより成形レンズ９の同軸度などの要求精度を確保している。また別に、胴型１にキャリア機能を持たせる方法も示されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平５−１７１６８号公報特開平５−２７０８４６号公報

ところで、上述したようなプレス成形による光学素子の製造においては、多数の金型を用いてステージを循環させ、タクト短縮を図っている。繰り返される金型のステージ間移送により金型底面や外胴型の底面及び上面が摩耗し、個々の部材の高さにばらつきが生じてしまい、経時的に成形レンズ９の肉厚ばらつきを招くという問題がある。また、金型底面部の不均一な摩耗はヒータブロックに対する片当たりを生じ、昇温不良による成形レンズ９の精度不良なども発生させる。さらに、ひどい場合にはガラス材の体積ばらつきとの複合により、オーバーパックなどの事故を招くことがあるという問題がある。

そこで、現在ではプリフォーム素材４の体積管理基準を厳しくして不適合プリフォーム素材４はラインに投入しないような形態で対応しており、そのため検査工程や、球や円柱やレンズ近似形状などの精度を上げる前処理のためにかなりのコストを割かざるを得ないという問題がある。また、外胴型３を使用しない場合でも、下型２ｂの底面部の摩耗はあるので、プレス後の成形レンズ９の肉厚のばらつきは大きな課題になっている。現状プロセスでは、成形レンズ９の肉厚不良や精度不良などは成形後の検査工程で確認されるので、歩留りを悪化させる要因の一つになっている。

また、プレス前後のレンズの搬送形態について、上記何れの方法でも上下型２ａ、２ｂはセットで必要で、かつタクト短縮を図るために多数の金型を持つ必要があり、そのため初期投資の増大を招くという問題がある。また、そのため小ロット生産品等への対応はコスト的に大変厳しいという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、胴型を用いたプレス成形による光学素子の製造において、光学素子の肉厚ばらつきを抑えるとともに金型の寿命管理ができ、またプリフォーム素材の前処理コストの低廉化を図り、さらに初期投資の低減も実現できる光学素子成形方法及び装置を提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明の光学素子成形方法は、筒状の胴型とその内部に配置された上下型の間にプリフォーム素材を配置する工程と、胴型と上下型及びプリフォーム素材を加熱する工程と、上下型を移動させ光学素子をプレス成形する工程から成る成形方法であって、プリフォーム素材を配置する工程の前に型の高さを測定しかつプリフォーム素材の型内への配置時にプリフォーム素材の高さ及び大きさを測定する工程を有し、１つの上型に対して複数の下型を有し、これらの下型にプリフォーム素材やプレス後の光学素子を搬送するキャリア機能を持たせ、かつオフラインまたはインラインで下型へプリフォーム素材を配置する工程時に、前記型やプリフォーム素材の測定工程を有し、予め設定した規格高さ外の下型は取り除くことを特徴とするものである。

この構成によると、成形直前の型の高さ状態を管理でき、プレス時の押し込み量などの成形条件の最適化や型の摩耗状態の把握が可能となる。したがって、型高さのばらつきから発生する成形光学素子の肉厚ばらつきを低減することができ、特に、複数の下型のうち予め設定した規格高さ外の下型は取り除くことができ、ラインへの投入を防止して総合的な歩留りを改善することができる。さらに成形直前のプリフォーム素材の高さ及び大きさの管理ができ、プレス時の押し込み量などの成形条件の最適化が可能となる。したがって、プリフォーム素材のばらつきから発生する成形光学素子の肉厚ばらつきを低減することができ、またプリフォーム素材自体の体積管理幅に余裕を持たせることができ、プリフォーム素材の前処理コストも低減できる。

請求項２に記載の発明の光学素子成形方法は、型及びプリフォーム素材の測定に非接触の測定機構を用いるものである。

この構成によると、プリフォーム素材や型に傷や打痕などをつけることなく測定できるので、成形光学素子に傷などの外観不良を発生させることがない。

この構成によると、成形システムに下型の高精度な繰り返し位置決め機構を装備し、１つの上型に対して複数の下型を循環させる成形プロセス構成にすることで、成形システムを構成する総金型数を従来の略半分に抑えることができ、初期投資を低減できる。また、プレス後の冷却工程において、胴型及び上型から離れるため、キャリア金型の熱容量が少なくなり、冷却効率が上がってトータルタクトの短縮も図れる。さらに、成形直前の型の高さ状態を管理でき、プレス時の押し込み量などの成形条件の最適化や型の摩耗状態の把握が可能となる。したがって、型高さのばらつきから発生する成形光学素子の肉厚ばらつきを低減することができ、また摩耗の激しい型の抽出ができ、ラインへの投入を防止して総合的な歩留りを改善することができる。それから、成形直前のプリフォーム素材の高さ及び大きさの管理ができ、プレス時の押し込み量などの成形条件の最適化が可能となる。したがって、プリフォーム素材のばらつきから発生する成形光学素子の肉厚ばらつきを低減することができ、またプリフォーム素材自体の体積管理幅に余裕を持たせることができ、プリフォーム素材の前処理コストも低減できる。

本発明の光学素子成形方法によれば、プレス前に型の高さや摩耗程度を測定することで、型の寿命や光学素子の成形条件の最適化が可能となり、肉厚ばらつきの少ない高精度な光学素子を得ることができる。特に、複数の下型のうち予め設定した規格高さ外の下型は取り除き、ラインへの投入を防止して総合的な歩留りを改善することができる。また、プレス前にプリフォーム素材の高さ及び体積を測定することで、成形素子の肉厚ばらつきを抑えることができるのは勿論のこと、プリフォーム素材の体積管理幅を大きくできるので前処理にかかるコストを低減することができる。さらに、複数の下型を循環させることで金型面数の初期投資を抑えた光学素子成形装置を実現できる。そして、これらを複合することで、肉厚ばらつきが少なく、プリフォーム素材の前処理コストが低廉で、さらに初期投資の少ない光学素子成形方法及び装置を実現できる。

以下、本発明の光学素子成形方法及び装置の一実施形態について、図１〜４を参照して説明する。なお、図５を参照して説明した従来例と同じ構成要素については、同じ参照符号を付して説明を省略する。

図１において、本実施形態の光学素子成形装置は、酸素濃度を管理できるように密閉度を考慮した構造で、窒素雰囲気に保つことが可能な成形チャンバ１０を備えている。この成形チャンバ１０内の下部にロータリテーブル１１が配設され、その軸芯１１ａの一側に供給・排出ゾーン１２が設けられ、他側にプレスゾーン１３が設けられている。ロータリテーブル１１上には複数の下型２ｂが周方向に等間隔に固定されることにより、ロータリテーブル１１の間欠回転によって下型２ｂが供給・排出ゾーン１２の所定位置とプレスゾーン１３の所定位置の間で移動し、下型２ｂがキャリア機能を持つように構成されている。プレスゾーン１３における下型２ｂが停止する所定位置の上部には、１つの上型２ａと胴型１が昇降動作可能に配設され、プレス制御部１４にてプレス動作を行うように構成されている。また、これら上型２ａと胴型１の周囲には、誘導加熱方式や抵抗加熱方式で胴型１、上型２ａ及び下型２ｂを加熱するようにヒータ１５が配設されている。なお、ロータリテーブル１１に下型２ｂを固設せず、供給・排出ゾーン１２でロータリテーブル１１上に下型２ｂを供給して仮固定し、プレスゾーン１３で上型２ａ及び胴型１との位置調整した後本固定するようにしてもよい。

ロータリテーブル１１は、図２に示すように、ガイド付きシリンダ１６により上昇され、回転駆動手段１７にて所定の回転角度回転移動した後、ガイド付きシリンダ１６により下降され、テーパガイド１８とテーパピン１９が係合することにより所定位置に位置決めされる。このような構成により、胴型１と下型２ｂのクリアランスが６μｍ以下に設定されていても、１つの胴型１及び上型２ａに対して複数の下型２ｂを繰り返し位置決めしてプレス成形できる位置精度が実現されている。

供給・排出ゾーン１２には、成形チャンバ１０内の酸素濃度を抑えるためのシャッタ２０が設置され、プリフォーム素材４と成形レンズ９の供給・排出時のみ開閉されるように構成されている。これらプリフォーム素材４と成形レンズ９の供給・排出にはマニピュレータ２１がそれぞれのフォルダ２２に対して出し入れするように構成されている。

また、この供給・排出ゾーン１２には高さ測定器２３が設置されている。この高さ測定器２３は、図３に示すように、下型２ｂの高さを毎回測定し、その高さデータをプレス制御部１４へフィードバックしている。また、測定時に規格外の高さになった下型２ｂがあった場合は、次工程に進むことなく、取り除かれる。

また、高さ測定器２３は、下型２ｂにプリフォーム素材４が供給された後、図４に示すように、プリフォーム素材４の高さや体積を測定する。例えば、球状のプリフォーム素材４の場合、下型２ｂ上に配置した状態から高さ測定器２３で毎回測定し、その高さから体積を計算し、そのデータをプレス制御部１４ヘフィードバックしている。

このように、下型２ｂの高さデータとプリフォーム素材４の高さや体積データをプレス制御部１４へフィードバックし、プレス制御部１４でそれらのデータに基づいてプレス時の押し込み条件を毎回決定することにより、オーバーパックの発生なく、成形レンズ９の肉厚ばらつきを２０μｍ以下に収める精度は問題なくクリアされる。また、これによりプリフォーム素材４の体積管理基準の余裕度が広がり、前処理コストに関わるコストの低減を図ることができる。また、プリフォーム素材４の体積が高さだけでは不明な場合には、カメラによる認識などを用いてその体積を測定する必要がある。

なお、図示例の高さ測定器２３はマイクロメータを使用しているが、レーザ測長器などの非接触方式にすると、測定による打痕や傷の発生の心配がなくてより好ましい。

次に、以上の構成による一連の成形プロセスを説明する。まず、供給・排出ゾーン１２の所定位置に位置決めされた下型２ｂの高さデータ等を高さ測定器２３で測定する。次に、マニピュレータ２１により把持されたプリフォーム素材４が下型２ｂに供給される。その後、プリフォーム素材４の形状も高さ測定器２３で測定され、下型２ｂの測定データと比較され、最適成形条件が設定される。

次に、ロータリテーブル１１が回転し、下型２ｂが入れ替わる。プレスゾーン１３へ移送された下型２ｂに向けて、上型２ａとそれに固定された胴型１とヒータ１５が、上型２ａがプリフォーム素材４に接触する寸前まで降下し、ヒータ１５による昇温がスタートする。

プレス可能温度に到達したら、上型２ａがさらに降下してプリフォーム素材４をプレスし、最適条件でプレスを終える。その後ガラスが変形しない温度まで型温が下がった後、上型２ａが上昇し、ロータリテーブル１１が回転し、供給・排出ゾーン１２にプレスされた成形レンズ９を保持した下型２ｂが移送される。その位置で更に取り出し可能温度まで成形レンズ９が降温された後、再びマニピュレータ２１にて装置外に排出される。

本発明の光学素子成形方法及び装置は、プレス前に型の高さや摩耗程度、プリフォーム素材の高さや体積などを測定することで、光学素子の成形条件を最適化して肉厚ばらつきの少ない高精度な光学素子を得ることができるので、ＤＳＣやビデオカメラなどの非球面レンズなどの高精度の各種光学素子の成形に有用である。

本発明の光学素子成形方法及び装置の一実施形態の概略構成を示す縦断面図である。同実施形態におけるロータリテーブルの構成図である。同実施形態における下型の高さの測定状態の説明図である。同実施形態におけるプリフォーム素材の高さの測定状態の説明図である。従来例の光学素子成形方法及び装置の概略構成図である。

符号の説明

１胴型
２ａ上型
２ｂ下型
４プリフォーム素材
１１ロータリテーブル
１４プレス制御部
２３高さ測定器

Claims

筒状の胴型とその内部に配置された上下型の間にプリフォーム素材を配置する工程と、胴型と上下型及びプリフォーム素材を加熱する工程と、上下型を移動させ光学素子をプレス成形する工程から成る成形方法であって、
プリフォーム素材を配置する工程の前に型の高さを測定しかつプリフォーム素材の型内への配置時にプリフォーム素材の高さ及び大きさを測定する工程を有し、
１つの上型に対して複数の下型を有し、これらの下型にプリフォーム素材やプレス後の光学素子を搬送するキャリア機能を持たせ、かつオフラインまたはインラインで下型へプリフォーム素材を配置する工程時に、前記型やプリフォーム素材の測定工程を有し、
予め設定した規格高さ外の下型は取り除くことを特徴とする光学素子成形方法。
型及びプリフォーム素材の測定に非接触の測定機構を用いることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形方法。