JP4373278B2

JP4373278B2 - 光学素子の成形方法

Info

Publication number: JP4373278B2
Application number: JP2004150177A
Authority: JP
Inventors: 裕介中川; 博之関
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: JP2005330153A

Description

本発明は、成形型を胴型に挿入する際に高精度な駆動軸を用いることなく、胴型との齧りを生じさせずに挿入することができ、また、胴型内での成形型の位置、姿勢決めを高精度に行うことにより、偏芯精度の高い光学素子を高い信頼性で製造することができる光学素子の成形方法に関する。

近年、レンズ系の設計自由度拡大や、従来では不可能であった小型化、性能向上の要求が高まり、これを可能にする非球面レンズのニーズが増加している。レンズは、古くはガラスを研削、研磨して製造していたが、非球面レンズの場合には、ガラスを加熱して軟化させ、成形型でプレス成形する方法も知られている。

また、光学素子は、一般にレンズの偏芯（光軸に対する垂直方向のズレ（シフト）や傾き（チルト）をいう）を高い精度で維持しなければならない。このため、光学素子の成形時には、胴型の内面と上下型の側面を嵌合、摺動させることで、該光学素子の光軸方向に対する上下の成形面のズレを規制している。なお、以下、胴型の内径と成形型の外径の差を、嵌合クリアランス（あるいは単にクリアランス）と呼ぶこととする。

例えば、本出願人は、特開昭６２−２９２６４１号において、成形型を形成する材料の熱膨張係数を、胴型を形成する材料の熱膨張係数より大きくし、これら成形型と胴型のクリアランスが、常温時に大きく、成形時の高温下で狭くなり、高い偏芯精度を確保することができる光学素子成形用型を提案している。
特開昭６２−２９２６４１号公報

従来からある胴型と成形型を嵌合、摺動させて成形品の偏芯を確保するためには、その偏芯に対する要求精度が高くなればなるほど、胴型と成形型とのクリアランスを非常に小さくする必要がある。しかし、クリアランスを小さくすると、成形型を胴型に挿入する際に、これら成形型又は胴型の僅かな傾きによって、齧りやそれに起因する変形が発生してしまい取り扱いが大変難しいという問題があった。

なお、特開昭６２−２９２６４１号の光学素子成形用型では、常温時における成形型と胴型のクリアランスが大きいので、成形型を胴型に挿入する際の囓りや変形を防止することができ、一方、成形時の高温下における成形型と胴型のクリアランスを狭くして、高い偏芯精度を確保することができるが、成形時の温度等の条件を一定に保たなければならない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、成形型を胴型に挿入する際に高精度な駆動軸を用いることなく、胴型との齧りを生じさせずに挿入することができ、また、胴型内での成形型の位置、姿勢決めを高精度に行うことにより、偏芯精度の高い光学素子を高い信頼性で製造することができる光学素子の成形方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る光学素子の成形方法は、胴型内の相対する成形型の間に熱可塑性の光学素子素材を配置し、加熱、押圧による成形を行い、冷却後に成形型を離型し光学素子を取り出す光学素子の成形方法において、前記成形型のうち、少なくとも一方の成形型を傾斜させて前記胴型と少なくとも２点で接触させ、
前記一方の成形型をその軸心周りに回転可能に保持するとともに、該一方の成形型の成形面の軸心が、他方の成形型の成形面とにより成形される光学素子の光学機能面の軸心と一致するように、前記一方の成形型の傾斜方向の調整を行うことを特徴としている。

このような方法によれば、成形型を傾斜させ、胴型に少なくとも２点で接触させることにより、胴型内における該成形型の位置、姿勢が決まる。また、成形型と胴型の嵌合長により、胴型内における該成形型の傾斜可能な角度が決まる。これによって、胴型と成形型を嵌合、摺動させて成形を行う場合でも、胴型と成形型との嵌合クリアランスを小さくしなくても、胴型内における成形型の高精度な位置、姿勢決めを再現性よく実現することが可能となる。
また、成形型の取付時に傾斜方向を考慮して固定することは難しいが、成形型取り付け後に傾斜時に成形品の偏芯が良くなるよう調整を行っているので、成形品からフィードバックして誤差をキャンセルすることができる。

好ましくは、本発明の請求項２に係る光学素子の成形方法のように、少なくとも光学素子素材の粘度が10¹²poiseから10¹⁴poiseのときに、前記成形型が傾いた姿勢を維持するようにする。

このような方法によれば、成形型を傾斜させて位置、姿勢決めを行う場合、その効果を成形される光学素子に反映させるためには、少なくとも光学素子素材の粘度が10¹²poiseから10¹⁴poiseのときに傾いた姿勢を維持すればよい。これによって、成形型を胴型に挿入するときなどの摺動時に傾けておく必要はなく、胴型と成形型との嵌合クリアランスが十分広い状態で摺動させることができる。したがって、成形型と胴型との齧りの心配がなく、スムーズな動作が可能になる。

本発明に係る光学素子の成形方法によれば、嵌合クリアランスを有した胴型と成形型とによる構成においても、胴型内における成形型の位置、姿勢決めを精度よく行うことができ、偏芯精度の良好な成形が行える。

以下、本発明の第１実施形態に係る光学素子の成形方法及び成形型について、図１及び図２を参照しつつ説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る光学素子の成形型の縦断面図であり、図２は図１の要部拡大図である。

図１において、本実施形態に係る成形型は、図示しない成形室内に対向配置した上型１と下型２からなり、これら上型１と下型２の互いに対向する面は、それぞれ図示しない光学素子を成形する成形面１ａ，１ｂとなっている。本実施形態では、これら成形面１ａ，１ｂを共に凹面非球面形状としてある。また、上型１の成形面１ａは、該上型１の軸心と垂直な面に対して4.8分の傾きを持って加工してある。

上型１の上部外周には、環凹状の段差部５が形成してあり、該段差部５に固定ビス４の先端を係止させることによって、上型１の外周に胴型３を揺動自在に取り付けてある。本実施形態では、上型１を上下動可能に設けてあるので、該上型１と共に胴型３も上下動する構成となっている。

このような上型１は、上型支持部材６を介してユニット７に支持してある。該ユニット７の内部には、上型１の軸心を中心として回転可能なエンコーダ付きのモータ８が設置してある。該モータ８の上部には、シリンダ９が固定してあり、そのピストンロッドの先端部には、円周状の受け板１０を押圧するための押板１１が設置してある。

一方、下型２を載置したベース台１２上には、複数の支持棒１３が立設してあり、これら支持棒１３の最上部には支持台１４が取り付けてある。さらに、該支持台１４の上部にはシリンダ１５が固定してあり、該シリンダ１５は、ユニット７を支持棒１３に沿って上下動可能に支持している。

ここで、上型１、下型２及び胴型３の具体的な寸法の一例を挙げて説明する。図２において、上型１、下型２は、胴型３との嵌合部が成形面面頂から4mmの距離にあり、直径ｄ１=19.986mmであり、光軸方向の嵌合長ｌ＝20mmである。段差５の直径は16mmであり、光軸方向の長さは3mmである。胴型３は全長53mm、内径ｄ２＝20mmである。ここで、胴型３の内径ｄ２と成形型の直径ｄ１、嵌合長ｌより、上下型１、２と胴型３の嵌合クリアランスによる最大チルトε（°）は下記式（１）より求めることができる。

ε（°）＝ｓｉｎ^-1（（ｄ２−ｄ１）／ｌ） …（１）

本実施形態の上型１、下型２及び胴型３の寸法で計算すると、片側の成形型の最大チルトは約０．０４度（2.4分）となり、上下成形型を合わせると最大で０．０８度（4.8分）となる。

本実施形態では、上記構成からなる成形型を用いて、光軸方向の中心部厚さ3mm、最外周部の厚さ1mm、直径10mmの回転対称形状の両凸レンズを成形した。なお、本成形型によって成形される光学素子の形状は、回転対称形状の両凸レンズに限定されるものではなく、例えば、プリズム、バイナリ光学素子、トーリック面を形成する非回転対称なガラス素子形状などでもよい。

まず、上型１及び胴型３を上昇させた状態で、下型２の成形面１ｂに光学素子素材１６を載置する。次いで、シリンダ１５を駆動させ、ユニット７と共に上型１及び胴型３を下降させる。このとき、下型２と胴型３の嵌合クリアランスは十分に広く、胴型３内に下型２を容易に挿入することができる。

その後、上型１の成形面１ａと下型２の成形面１ｂとの間に光学素子素材１６を挟み込んで加熱を開始する。なお、本実施形態では、押圧を開始するまでは、上型１と下型２及び光学素子素材１６を接触させた状態で加熱したが、下型２に光学素子素材１６を載置した状態で加熱した後、上型１を光学素子素材１６に接触させてもよい。

本実施形態では、光学素子素材１６をガラスとしており、該ガラスの転移点は510℃で粘度は10^12.75poise、軟化点は595℃で粘度は10^7.65poiseであり、この区間の温度−粘度曲線はほぼ直線的に変化する。上型１と下型２及び光学素子素材１６を加熱し、該光学素子素材１６の温度が550℃以上に達した時点で押圧を開始する。押圧を行うための加圧圧力は、単位面積あたり300N/cm²であった。数十秒間押圧した後に冷却を開始する。このときの光学素子素材１６の温度は約550℃である。

この冷却開始とともに、ユニット７内に配置したシリンダ９が駆動して、そのピストンロッドの先端部の押板１１が受け板１０を押圧し、上型支持部材６を一定方向に傾ける。これにより、上型支持部材６に支持した上型１及び胴型３も同様に傾く。このとき、ベース台１２に固定した下型２に胴型３が当接し、該胴型３が、下型２との嵌合クリアランスによる最大の傾きである2.4分傾いた姿勢で位置決めされるとともに、上型１が、胴型３との嵌合クリアランスによる最大の傾きである2.4分傾いた姿勢で位置決めされる。

これにより、胴型３内において、上型１の軸心が、下型２の軸心に対して4.8分の傾きを持った状態で固定される（図２参照）。ここで、上型１の成形面１ａは、該上型１の軸心と垂直な面に対して、あらかじめ4.8分の傾きを持って加工してあるので、該上型１の成形面１ａの軸心と下型２の成形面１ｂの軸心は互いに合致する。

なお、上型１及び胴型３を傾かせるタイミングは、本実施形態の如き冷却開始と同時に限定されるものではなく、光学素子素材が転移点以上の状態であれば、そのタイミングは適宜設定することが可能である。但し、光学素子素材の温度が転移点に近づくにつれてその粘度が高くなるため、上型１及び胴型３を傾斜させて光学素子素材を変形させるための時間がかかりすぎてしまう。したがって、転移点付近よりも軟化点に近い温度のときに上型１及び胴型３を傾斜させることが望ましい。

その後、光学素子素材１６の温度が180℃まで冷却されたところで、成形品たる光学素子を取り出す。このとき、シリンダ９の押圧力が解除され、上型１及び下型２と胴型３の嵌合クリアランスは、容易に摺動することができる元の状態に戻っている。

ここで、上述した本実施形態に係る成形型と一般的な成形型との比較実験を行った。比較例の成形型は、上型の成形面を該上型の軸心と垂直に加工するとともに、該上型を傾斜させない構成とし、これ以外の下型と胴型の寸法及びその他の成形条件を上述した本実施形態と同一に設定した。そして、上述した本実施形態に係る成形型により製造した成形品と、比較例の成形型により製造した成形品とを回収し、それぞれのチルトを偏芯測定器によって測定した。その結果、比較例の成形型で製造した成形品のチルトの値（Ｎ＝100）は、平均4.08分、最大4.43分、最小3.81分、標準偏差0.24であった。これに対して、本実施形態の成形型で製造した成形品のチルト（Ｎ＝100）は、平均0.15分、最大0.20分、最小0.11分、標準偏差0.03であった。

このような本実施形態に係る光学素子の成形方法及び成形型によれば、嵌合クリアランスは偏芯精度に誤差を与えることがなくなる。したがって、十分に広い嵌合クリアランスを設定することができ、胴型への成形型挿入時の囓りや摺動の悪さといった問題がなくなる。また、上下成形型の胴型内での姿勢は、成形型と胴型の嵌合クリアランスにより決まり、常に一定であるためバラツキの少ないプレス成形を行うことができる。

なお、上下型、胴型の寸法は、上述した実施形態のものに限定されるものではなく、また、下型の全長が胴型に挿入される必要はない。また、繰り返しによる胴型内側面や上下型の形状変化を避けるために、胴型を毎ショットごとに回転させることや、上下型の段差や成形面の外周縁部分にテーパーやＲを持たせても構わない。

次に、本発明の第２実施形態に係る光学素子の成形方法及び成形型について、図３を参照しつつ説明する。図３は本発明の第２実施形態に係る光学素子の成形型の要部拡大図である。

本実施形態に係る成形型は、上述した第１実施形態の成形型（図１参照）と同形状をしている。具体的な寸法では、図３に示すように、胴型との嵌合部と成形面面頂の距離ｔが、上型１はｔ１＝10mm、下型２はｔ２＝2mmとしてある。その他の寸法は第１実施形態と同様である。上下の成形型の外径、嵌合長を等しくしてあるので傾く角度は同じである。ここで、本実施形態では、胴型との嵌合部と成形面面頂の距離ｔ１，ｔ２が上下成形型でそれぞれ違うため、上型の成形面は、傾斜するだけではなく、上型の軸心からδ（mm）だけずらした位置に加工されている。δ（mm）は下記式（２）より求められる。

δ（mm）＝（ｔ１−ｔ２）＊ｓｉｎ（ε) …（２）

本実施形態では、δ＝０．０１１２mmとしてある。上記構成の成形型を用いて、第１実施形態と同様な両凸レンズを同様の工程により成形した。その結果、本実施形態による成形品のチルト（Ｎ＝100）は、平均0.14分、最大0.20分、最小0.09分、標準偏差0.04であった。

このような本実施形態に係る光学素子の成形方法及び成形型によれば、上述した第１実施形態と同様に、嵌合クリアランスは偏芯精度に誤差を与えず、偏芯精度の良好な成形が行える。

次に、本発明の第３実施形態に係る光学素子の成形方法及び成形型について、図４を参照しつつ説明する。図４は本発明の第３実施形態に係る光学素子の成形型の縦断面図である。

同図において、本実施形態では、上型支持部材１７とユニット１８の互いの当接面（支持面）をアール面とした構成としてある。このような構成により、上型支持部材１７をシリンダ１９によって横方向から押圧することにより、該上型支持部材１７により支持された上型１を傾斜させることが可能である。その他の装置構成については、図１に示す第１実施形態と同様となっており、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

上記構成の成形型を用いて、第１実施形態と同様な両凸レンズを同様の工程により成形した。その結果、本実施形態による成形品のチルト（Ｎ＝100）は、平均0.15分、最大0.19分、最小0.10分、標準偏差0.03であった。

このような本実施形態に係る光学素子の成形方法及び成形型によれば、例えば、上型１及び上型支持部材１７にマーキングを施し、取り付けの際に位置合わせすることにより、上型１の傾斜方向を調整する機構がなくても偏芯精度の良好な成形が可能であり、よりシンプルな装置構成で、第１及び第２実施形態と同様な効果が得られる。なお、上型１の位置合わせの方法はマーキングに限らず、ピンを立てるなどの方法でもよい。

最後に、上記第１〜第３実施形態に係る光学素子の成形方法及び成形型により製造した成形品のチルト（Ｎ＝100）の平均値，最大値，最小値及び標準偏差値（いずれの値も既述した）をまとめた表１を下記に示す。

本発明の第１実施形態に係る光学素子の成形型の縦断面図である。図１の要部拡大図である。本発明の第２実施形態に係る光学素子の成形型の要部拡大図である。本発明の第３実施形態に係る光学素子の成形型の縦断面図である。

符号の説明

１上型（成形型）
２下型（成形型）
１ａ，１ｂ形成面
３胴型
４固定ビス
５段差部
６，１７上型支持部材
７，１８ユニット
８モータ
９，１９シリンダ
１０受け板
１１押板
１２ベース台
１３支持棒
１４支持台
１５シリンダ
１６光学素子素材

Claims

胴型内の相対する成形型の間に熱可塑性の光学素子素材を配置し、加熱、押圧による成形を行い、冷却後に成形型を離型し光学素子を取り出す光学素子の成形方法において、
前記成形型のうち、少なくとも一方の成形型を傾斜させて前記胴型と少なくとも２点で接触させ、
前記一方の成形型をその軸心周りに回転可能に保持するとともに、該一方の成形型の成形面の軸心が、他方の成形型の成形面とにより成形される光学素子の光学機能面の軸心と一致するように、前記一方の成形型の傾斜方向の調整を行うことを特徴とする光学素子の成形方法。
少なくとも光学素子素材の粘度が１０^１２ｐｏｉｓｅから１０^１４ｐｏｉｓｅのときに、前記成形型が傾いた姿勢を維持することを特徴とする請求項１記載の光学素子の成形方法。