JP4303078B2

JP4303078B2 - 光学素子成形装置及び方法

Info

Publication number: JP4303078B2
Application number: JP2003349273A
Authority: JP
Inventors: 孝行永原; 正行高橋; 亨中川
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: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2023-10-08
Also published as: JP2005112671A

Description

本発明は、プリフォーム素材をプレス成形してレンズやプリズムなどの光学素子を得る光学素子成形装置及び方法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、高性能化、小型化、軽量化、低コスト化などのために、非球面のレンズが多く使用されている。しかし、樹脂の射出成形による非球面レンズでは、これらの要請に充分に対応しきれないため、高精度なガラスの非球面レンズを、ガラスのプレス成形による製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

ガラスのプレス成形の一般的な工程を、図９を参照して説明する。図９において、筒状の胴型１と、この胴型１内に固定された上型２ａと、胴型１内を上型２ａに対して遠近方向に移動可能に配置された下型２ｂとの間に、レンズのプリフォーム素材４（樹脂、ガラス素材など）を供給する。この状態で胴型１及び上下型２ａ、２ｂを加熱体５にて加熱し、プリフォーム素材４をプレス成形可能な温度まで昇温する。そして、下型２ｂを所定の速度またはプレス圧力で押し込むことにより、上下型２ａ、２ｂの型形状３をプリフォーム素材４に転写成形する。その後、型形状３が転写されたプリフォーム素材４に圧力を与えながら、プリフォーム素材４が形状変化を起こさない温度まで冷却する。そして、冷却固化した光学素子を型から取り外す。
特開平５−３４５６２５号公報

しかしながら、上記従来の構成では、胴型１を用いたプレス成形による光学素子の製造において、プレス前の胴型１及び上下型２ａ、２ｂの温度を上げる工程時に、胴型１と移動する上下型２ａ、２ｂの間の熱伝導差による熱膨張差からしばしば、図１０に模式的に示すような「かじりつき」と呼ばれる現象による接触部６が発生し、プレス時に荷重をかけても下型２ｂが動作せず、成形できないことがあるという問題があった。すなわち、型の昇温方法が熱伝導によるものであり、胴型１から上下型２ａ、２ｂまたはその逆であっても、それぞれ接触している部分から温度が上がり局部的に熱膨張差が生じてしまい、不均一な膨張が生じ、「かじりつき」が発生する。その対策として、現状では胴型１と上下型２ａ、２ｂのクリアランスを１０μｍ程度まで大きく調整することで対応している。しかし、その結果レンズ成形品の精度である同軸度やチルトを悪化させるため、最近の高精度を要求されるレンズなどの光学素子においては大きな問題となる。

また、別に、成形装置のプレス部の機械精度を上げて胴型１と上下型２ａ、２ｂのクリアランスを小さくした場合、今度はプリフォーム素材４の供給後の胴型１と下型２ｂの組み込み時にも「かじりつき」が発生し易くなり、生産性を低下させる原因にもなる。

また、生産タクトの面からは、胴型１を用いたプレス成形による光学素子の製造において、その冷却工程時には、昇温時と逆の熱伝導でしかも上下型２ａ、２ｂが胴型１内に完全に収納された状態で冷却が実施されるので、熱交換が悪く、成形タクトを長くする原因になっていた。

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、「かじりつき」の発生を防ぐことができ、また胴型への上下型の組み込みが容易で、さらに熱交換効率を上げて成形タクトの短縮を実現できる光学素子成形装置及び方法を提供することを課題とする。

第１発明の光学素子成形装置は、筒状の胴型と、前記胴型の内部に配置されプリフォーム素材をプレス成形する上下型と、前記胴型と前記上下型と前記プリフォーム素材を加熱する加熱部と、前記胴型と前記上下型との間に設けたエア軸受部とを備え、前記エア軸受部に対して、前記胴型に形成したエア噴出口からエアを供給するようにし、前記胴型の内周面の前記エア噴出口の配置位置に溝を設けたものである。

この構成によると、昇温や成形プロセス中にエア軸受部にて胴型に対して上下型を同軸中心に位置保持させることができ、胴型と上下型間のクリアランスを起因とし、倒れによる片当たりから発生する昇温工程時の熱伝導による不均一な熱膨張を防ぐことが可能となり、胴型と下型の「かじりつき」現象を解消することができる。また、胴型と上下型のクリアランスを従来より小さく設定できるため、光学素子の同軸度やチルトなどの高精度化も実現できる。また、エア軸受構成により、プリフォーム素材供給後の胴型への下型挿入時にも「かじりつき」現象の発生頻度を低減でき、生産性も向上できる。さらに、プレス工程後の冷却工程時にエア軸受用のエア流量を増加させたり、熱交換器を通して冷却されたエアを胴型に形成したエア噴出口および胴型内周面のエア噴出口配置位置に形成した溝を通じ供給することで、エア軸受効果を高めて上下型の組み込み時の「かじりつき」を防止し、かつ、前記胴型及び前記上下型の熱交換効率を向上し、冷却時間を短縮して生産タクトを短くし、生産性を向上できる。

第２発明の光学素子成形装置は、筒状の胴型と、前記胴型の内部に配置されプリフォーム素材をプレス成形する上下型と、前記胴型と前記上下型と前記プリフォーム素材を加熱する加熱部と、前記胴型と前記上下型との間に設けた磁気軸受部とを備え、前記磁気軸受部は、前記胴型の内壁に配置した磁気を帯びたプレートと、前記上下型の胴型に対向する外周面に配置した磁気を帯びたプレートにて構成し、これら両プレートは同極性としたものである。

この構成によると、昇温や成形プロセス中に磁気軸受部にて胴型に対して上下型を同軸中心に位置保持させることができ、胴型と上下型間のクリアランスを起因とし、倒れによる片当たりから発生する昇温工程時の熱伝導による不均一な熱膨張を防ぐことが可能となり、胴型と下型の「かじりつき」現象を解消することができる。また、胴型と上下型のクリアランスを従来より小さく設定できるため、光学素子の同軸度やチルトなどの高精度化
も実現できる。また、エア軸受構成により、プリフォーム素材供給後の胴型への下型挿入時にも「かじりつき」現象の発生頻度を低減でき、生産性も向上できる。特に、磁気軸受部を構成するように胴型の内壁に配置した磁気を帯びたプレートと、前記上下型の胴型に対向する外周面に配置した磁気を帯びたプレートとが同極性であることにより、異極性とする場合に比して胴型への上下型の挿入が容易になる。

第３発明の光学素子成形装置は、筒状の胴型と、前記胴型の内部に配置されプリフォーム素材をプレス成形する上下型と、前記胴型と前記上下型と前記プリフォーム素材を加熱する加熱部と、前記下型に回転を与える手段とを備え、この回転を与える手段にトルク検出機能を搭載したものである。

この構成によると、プレス時に動作する前記下型に回転を与えることで、胴型に対して同軸中心に位置保持させ、または片当たりを防止することができ、また昇温工程時に温度分布の平坦化、均一化を実現することができる。したがって、胴型と上下型間のクリアランスを起因とし、倒れによる片当たりから発生する昇温工程時の熱伝導による不均一な熱膨張を防ぐことが可能となり、胴型と下型の「かじりつき」現象を解消することができる。また、胴型と上下型のクリアランスを従来より小さく設定できるため、光学素子の同軸度やチルトなどの高精度化も実現できる。特に、下型に与える回転のトルクを検出できるので昇温時の「かじりつき」が発生したときに停止できる。

第４発明の光学素子成形方法は、胴型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、前記胴型と前記上下型及び前記プリフォーム素材を昇温する工程と、前記下型を移動させて前記プリフォーム素材をプレス成形する工程からなる成形方法であって、前記上下型を支持しているエア軸受部に供給するエアを、前記プレス後の工程で冷却したエアに切り替える工程を有するものである。

この構成によると、プレス成形する工程後の工程で、エア軸受部に供給するエアを冷却したエアに切り替えることで、上下型を加速して冷却することが可能となるので、成形工程全体のタクトを短縮して生産性を向上することができる。

本発明の光学素子成形装置によれば、胴型と上下型の間をエア軸受または磁気軸受の構成にすることで、胴型に対する上下型の挿入時や昇温時に発生する「かじりつき」を防止することができる。さらに、エア軸受の場合は、エアの制御により成形タクトの短縮も図れる。また、胴型に形成したエア噴出口および胴型内周面のエア噴出口配置位置に形成した溝を通じ供給することで、エア軸受効果を高めて上下型の組み込み時の「かじりつき」を防止することができる。磁気軸受の場合は、磁気軸受部を構成するように胴型の内壁に配置した磁気を帯びたプレートと、前記上下型の胴型に対向する外周面に配置した磁気を帯びたプレートとが同極性であることにより、異極性とする場合に比して胴型への上下型の挿入が容易になる。プレス時に移動する下型を回転させることで、昇温時に発生する「かじりつき」も防止できる。その結果、胴型と上下型の間のクリアランスを従来より小さくでき、同軸度やチルト精度の高い高品位なプレス光学素子を得ることができる。しかも、下型に与える回転のトルクを検出して昇温時の「かじりつき」が発生したときに停止できる。本発明の光学素子成形方法によれば、特に、プレス成形する工程後の工程で、エア軸受部に供給するエアを冷却エアに切り替えることで、上下型を加速して冷却することが可能となるので、成形工程全体のタクトを短縮して生産性を向上することができる。

（第１の実施形態）
まず、本発明の光学素子成形装置の第１の実施形態について、図１、図２を参照して説明する。図１において、本実施形態のレンズ成形装置は、筒状の胴型１と、この胴型１内に固定された上型２ａと、胴型１内を上型２ａに対して遠近方向に移動可能に配置された下型２ｂと、上型２ａと下型２ｂの間にレンズのプリフォーム素材４を供給した状態でこれら胴型１、上下型２ａ、２ｂ及びプリフォーム素材４を加熱する加熱体５とを備えている。下型２ｂは所定の速度またはプレス圧力で押し込み可能に構成され、下型２ｂの押し込み動作によって上下型２ａ、２ｂの型形状３がプリフォーム素材４に転写されるように構成されている。

胴型１には上型２ａ及び下型２ｂの外周面の上下方向の中間部に対応する位置にエア噴出口７が周方向に複数配置され、胴型１の外側にこれらのエア噴出口７にエアを供給するエア供給ブロック８が配置され、温度と流量と圧力を調整可能なエア供給源９から、所定の温度と流量と圧力に調整されたエアを胴型１内に流入させるように構成されている。

胴型１と上下型２ａ、２ｂの間には、５μｍ程度のクリアランス１０が設けられている。因みに、従来例のクリアランスは１０μｍ程度であった。また、エア噴出口７は、図示例では上型２ａに対応して４箇所、下型２ｂに対応して４箇所設けられているが、エア噴出口７のサイズ、数量、位置などは、上下型２ａ、２ｂの大きさに左右され、それぞれ最適化が必要であるが、最低限この数量以上設けないと、胴型１に上下型２ａ、２ｂを組み込むときにエア軸受効果を得るのが困難である。

本実施形態においては、胴型１に上記のような数量及び配置のエア噴出口７を設けて胴型１内にエアを流し、胴型１と上下型２ａ、２ｂの間にエア軸受を構成しているので、胴型１に対して上下型２ａ、２ｂを常に同軸位置に位置保持することができ、そのため上下型２ａ、２ｂの組み込み時の「かじりつき」を防止し、また、胴型１及び上下型２ａ、２ｂの昇温時の熱伝導の不均一による胴型１内にある上下型２ａ、２ｂの熱膨張差を低減できて、昇温時の「かじりつき」も防止することができる。

さらに、エア供給源９を制御して、プリフォーム素材４のプレス後の工程で、エア流量を増やしたり、冷却されたエアに切り替えることで、上下型２ａ、２ｂの冷却速度を加速することができ、プレス工程全般のタクトを短縮することができる。

なお、図１に示した例では、胴型１の内周面にエア噴出口７だけを開口させたが、図２に示すように、胴型１の内周面のエア噴出口７の配置位置に上下方向に深さ１〜２μｍの溝１１を配置することもできる。なお、この溝１１は、上下型２ａ、２ｂが交差する胴型１の中央部付近は、プレス時にプリフォーム素材４やガラスが流入する可能性も考えられるので設けていない。

このように溝１１を設けると、エア軸受効果をさらに高めることができ、胴型１に対して上下型２ａ、２ｂがより一層同軸中心に位置保持することが可能となるため、上下型２ａ、２ｂの組み込み時の「かじりつき」を防止し、また胴型１内にある上下型２ａ、２ｂの昇温時の熱伝導の不均一による上下型２ａ、２ｂの熱膨張差を低減でき、昇温時の「かじりつき」を防止することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の光学素子成形装置の第２の実施形態について、図３、図４を参照して説明する。本実施形態では、胴型１と上下型２ａ、２ｂの間のエア軸受に対するエア供給を上下型２ａ、２ｂから行うようにした点で、第１の実施形態と異なっている。図３において、上下型２ａ、２ｂの外周面に複数のエア噴出口１２を設け、上型２ａの取付部１４及び下型２ｂの取付部１５にエア噴出口１２に対してエアを供給するエア供給口１３を設け、上記実施形態と同様のエア供給源９よりエア供給口１３に調整されたエアを供給するように構成されている。また、胴型１と上下型２ａ、２ｂの間には、上記実施形態と同様に５μｍ程度のクリアランス１０が設けられている。

エア噴出口１２は、図示例では上型２ａに上下２段に計８箇所、下型２ｂに上下２段に計８箇所設けられているが、エア噴出口１２のサイズ、数量、位置などは、上下型２ａ、２ｂの大きさに左右され、それぞれ最適化が必要であるが、最低限４箇所量以上設けないと、胴型１に上下型２ａ、２ｂを組み込むときにエア軸受効果を得るのが困難である。

本実施形態においては、上下型２ａ、２ｂに上記のような数量及び配置のエア噴出口１２を設けて胴型１内にエアを流し、胴型１と上下型２ａ、２ｂの間にエア軸受を構成しているので、胴型１に対して上下型２ａ、２ｂを常に同軸位置に位置保持することができ、そのため上下型２ａ、２ｂの組み込み時の「かじりつき」を防止し、また、胴型１及び上下型２ａ、２ｂの昇温時の熱伝導の不均一による胴型１内にある上下型２ａ、２ｂの熱膨張差を低減できて、昇温時の「かじりつき」も防止することができる。

なお、図３に示した例では、上下型２ａ、２ｂの外周面にエア噴出口１２だけを開口させたが、図４に示すように、下型２ｂのエア噴出口１２の配置位置に上下方向に深さ１〜２μｍの溝１６を配置することもできる。なお、この溝１６は、上型２ａにも採用することができる。

このように溝１６を設けると、エア軸受効果をさらに高めることができ、胴型１に対して上下型２ａ、２ｂがより一層同軸中心に位置保持することが可能となるため、上下型２ａ、２ｂの組み込み時の「かじりつき」を防止し、また胴型１内にある上下型２ａ、２ｂの昇温時の熱伝導の不均一による上下型２ａ、２ｂの熱膨張差を低減でき、昇温時の「かじりつき」を防止することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の光学素子成形装置の第３の実施形態について、図５を参照して説明する。本実施形態では、胴型１の内周面に磁気を帯びた磁気プレート１７を配置し、上下型２ａ、２ｂの胴型１に対向する外周面に磁気プレート１７と同極性の磁気を帯びた磁気プレート１８、１９が配置して磁気軸受が構成されている。また、胴型１と上下型２ａ、２ｂの間には、上記実施形態と同様に５μｍ程度のクリアランス１０が設けられている。

本実施形態では、磁気軸受を構成するために、胴型１と上下型２ａ、２ｂそれぞれに同極性の磁気を帯びた磁気プレート１７、１８、１９を配置しているが、磁気プレート１７、１８、１９の何れかは磁力の制御ができるものが好ましい。磁力の制御は、設置位置が可動できる構造や、電磁石を用いることにより実現できる。なお、胴型１と上下型２ａ、２ｂで極性の異なる磁気プレート１７、１８、１９を用いた場合は、胴型１への上下型２ａ、２ｂの挿入時に制御が難しかった。また、胴型１に配置されている磁気プレート１７や、上下型２ａ、２ｂに配置されている磁気プレート１８、１９は、サイズや位置などは胴型１及び上下型２ａ、２ｂの大きさに左右され、それぞれ最適化が必要である。

本実施形態によれば、胴型１及び上下型２ａ、２ｂに上記のように磁気プレート１７、１８、１９を配設し、胴型１と上下型２ａ、２ｂの間に磁気軸受を構成することにより、胴型１に対して常に上下型２ａ、２ｂが同軸中心に位置保持することが可能となり、その結果上下型２ａ、２ｂの組み込み時の「かじりつき」を防止し、また胴型１及び上下型２ａ、２ｂの昇温時の熱伝導の不均一による胴型１内にある上下型２ａ、２ｂの熱膨張差を低減でき、昇温時の「かじりつき」も防止できる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の光学素子成形装置の第４の実施形態について、図６を参照して説明する。本実施形態では移動可能な下型２ｂをその軸回りに回転させる回転機構２０を配設している。回転機構２０としては、モータを用いた駆動系や空圧によるスピンドルが好適に適用でき、３０ｒｐｍ以下（本実施形態では５ｒｐｍ）の回転数で、軸振れなく、精度良く回転駆動できる構成が必要である。また、高温で胴型１及び上下型２ａ、２ｂを加熱しているときに回転させるので、「かじりつき」が発生したときに停止できるようにトルク検出機能を搭載する必要がある。

本実施形態では、胴型１に対してプレス時に移動する下型２ｂに回転機構２０を持たせることにより、胴型１外周部からの加熱体５から熱を伝えるときに熱伝導の不均一を平均化、平坦化できるので、胴型１内にある上下型２ａ、２ｂの熱膨張差を低減でき、昇温時の「かじりつき」を防止することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の光学素子成形装置の第５の実施形態について、図７を参照して説明する。本実施形態では、移動可能な下型２ｂをその軸芯方向に微振動させる振動機構２１を配設している。振動機構２１としては、超音波振動素子、ピエゾ素子、モータなど、いずれでも振動供給可能であるが、下型２ｂの軸振れが少なく、精度良く振動を与える構成が必要である。また、高温で胴型１及び上下型２ａ、２ｂを加熱しているときに振動供給するので、「かじりつき」が発生したときに停止できるようにトルク検出機能を搭載する必要がある。

本実施形態では、胴型１に対してプレス時に移動する下型２ｂに振動機構２１を持たせることにより、胴型１外周部からの加熱体５から熱を伝えるときに熱伝導の不均一を平均化、平坦化できるので、胴型１内にある上下型２ａ、２ｂの熱膨張差を低減でき、昇温時の「かじりつき」を防止することができる。

（第６の実施形態）
次に、本発明の光学素子成形装置の第６の実施形態について、図８を参照して説明する。本実施形態では、胴型１及び上下型２ａ、２ｂのそれぞれの摺動面に固形潤滑剤２２、２３、２４を配設している。具体的には、胴型１の内周部に固形潤滑剤２２を塗布し、上下型２ａ、２ｂの外周部に固形潤滑剤２３、２４のプレートを埋設配置している。固形潤滑剤２２、２３、２４を塗布または埋設するのは、胴型１及び上下型２ａ、２ｂの形状や動作により最適な配置状態を選べば良く、胴型１の内周面に固形潤滑剤２２を埋設設置しても構わない。固形潤滑剤２２、２３、２４は、例えば黒鉛のようなガラスプレス時の雰囲気温度（６００℃）でも安定する材料が好ましい。また、黒鉛の場合はＮ₂ガスなど雰囲気制御を行って酸素濃度を下げることで、より高温（１０００℃）での使用にも耐えられる。

本実施形態によっても「かじりつき」の防止及び上下型２ａ、２ｂの設定クリアランスを小さくすることができ、また本実施形態の構成は、上記第１〜第５の何れの実施形態の場合でも併用して実施することができる。

本発明にかかる光学素子成形装置及び方法は、ガラス製や樹脂製の光学レンズやプリズムなどの光学素子の高精度なプレス成形を実現でき、携帯電話やビデオカメラなどの光学素子を使った各種商品の高性能化・小型化・軽量化・低コスト化に有用である。

本発明の第１の実施形態におけるレンズ成形装置の概略構成を示す縦断面図である。同実施形態の変形例の胴型の構成を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は半裁下面図である。本発明の第２の実施形態におけるレンズ成形装置の概略構成を示す縦断面図である。同実施形態の変形の下型の縦断面図である。本発明の第３の実施形態におけるレンズ成形装置の概略構成を示す縦断面図である。本発明の第４の実施形態におけるレンズ成形装置の概略構成を示す縦断面図である。本発明の第５の実施形態におけるレンズ成形装置の概略構成を示す縦断面図である。本発明の第６の実施形態におけるレンズ成形装置の概略構成を示す縦断面図である。従来例のレンズ成形装置の概略構成を示す縦断面図である。従来例における金型昇温時の「かじりつき」現象を模式的に示した説明図である。

符号の説明

１胴型
２ａ上型
２ｂ下型
４プリフォーム素材
５加熱体
７エア噴出口
１２エア噴出口
１７、１８、１９磁気プレート
２０回転機構
２１振動機構
２２、２３、２４固形潤滑剤

Claims

筒状の胴型と、前記胴型の内部に配置されプリフォーム素材をプレス成形する上下型と、前記胴型と前記上下型と前記プリフォーム素材を加熱する加熱部と、前記胴型と前記上下型との間に設けたエア軸受部とを備え、前記エア軸受部に対して、前記胴型に形成したエア噴出口からエアを供給するようにし、前記胴型の内周面の前記エア噴出口の配置位置に溝を設けたことを特徴とする光学素子成形装置。
筒状の胴型と、前記胴型の内部に配置されプリフォーム素材をプレス成形する上下型と、前記胴型と前記上下型と前記プリフォーム素材を加熱する加熱部と、前記胴型と前記上下型との間に設けた磁気軸受部とを備え、前記磁気軸受部は、前記胴型の内壁に配置した磁気を帯びたプレートと、前記上下型の胴型に対向する外周面に配置した磁気を帯びたプレートにて構成し、これら両プレートは同極性としたことを特徴とする光学素子成形装置。
筒状の胴型と、前記胴型の内部に配置されプリフォーム素材をプレス成形する上下型と、前記胴型と前記上下型と前記プリフォーム素材を加熱する加熱部と、前記下型に回転を与える手段を備え、この回転を与える手段にトルク検出機能を搭載したことを特徴とする光学素子成形装置。
胴型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、前記胴型と前記上下型及び前記プリフォーム素材を昇温する工程と、前記下型を移動させて前記プリフォーム素材をプレス成形する工程からなる成形方法であって、前記上下型を支持しているエア軸受部に供給するエアを、前記プレス後の工程で冷却したエアに切り替える工程を有することを特徴とする光学素子成形方法。