JP4412712B2 - 大型湾曲両面フレネルレンズの製造方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の背景】
発明の技術分野
本発明は、大型湾曲両面フレネルレンズの製造方法および装置に関する。
関連技術の説明
図１Ａに大型湾曲両面フレネルレンズ１の概要を示す。大型湾曲両面フレネルレンズ２、２’の２枚を使用して結像する光学系により、地球外から降り注ぐ高エネルギー粒子が大気圏で発する光（チェレンコフ輻射線）を観測することが提案されている。かかるチェレンコフ輻射線を観測することにより、地球上に降りそそぐ素粒子の強度、波長、エネルギー等を計測することができる。
図１Ａの大型湾曲両面フレネルレンズ２、２’は、スペースシャトル等で地球の静止軌道上に打ち上げ、地表面の直径約６００ｋｍに相当する範囲の素粒子の観測等に用いる。そのために必要となる超広視野屈折光学系を目的とする直径２５００ｍｍの大型湾曲両面フレネルレンズの１枚（フレネルレンズ２）は、光軸方向に２０ｍｍ離れた半径４０９９ｍｍの二つの球面Ｓ１，Ｓ２に挟まれたもので、Ｓ１及びＳ２にフレネルレンズが刻まれる。また、もう１枚のレンズ（フレネルレンズ２’）は、光軸方向に２０ｍｍ離れた半径２５５５ｍｍの二つの球面Ｓ４，Ｓ５に挟まれたもので、Ｓ４，Ｓ５にフレネルレンズが刻まれる。
直径２５００ｍｍの大型湾曲両面フレネルレンズ２、２’を一体で製作するためには、直径２５００ｍｍ以上の大型の回転テーブルを持つ超精密加工機が必要となる。しかし、今後、さらに直径の大きな大型湾曲両面フレネルレンズが必要になったときには、それに伴って超精密加工機も大きくしなければならない。また、レンズの強度アップのために補強具を組み付ける必要もある。従ってこのようなサイズの大型超精密加工機を開発することは容易ではなく、かつ現実的でない。
そこで、図１Ａ、図１Ｂに模式的に示すように、大型湾曲両面フレネルレンズ２、２’を複数のセグメントレンズ３に分割し、特定のサイズのセグメントレンズ３を所定枚数構成することが考えられた。なおこの例でセグメントレンズ３は４種類必要となる。
すなわち、図１Ａの例では、２枚のレンズ２、２’は共に、直径１５００ｍｍの中心レンズ４と角度分割１５度で１周を２４等分するパイスライス型セグメントレンズ３を内、外２段に配列して構成する。このように組立構造にすることにより、大型１枚もので製作した場合の運搬の困難性を、より小型部品の製作・組立によって緩和することができる。
１枚のパイスライス型セグメントレンズ３は、図１Ｃに示すように、フレネルレンズ面５、６のバックサイド５ａ、６ａの高さｈが１ｍｍ均一で、レンズの光軸Ｚの方向の厚さｔが全面２０ｍｍと均一で、全体が光軸Ｚを中心とする回転面形状でかつ、表裏に設けられるフレネルレンズの光軸Ｚが一致することが要求される。
またレンズとしての用途から透明度が高く、高精度にフレネルレンズ溝が成形され、高性能のレンズ機能を持つことが必要である。
フレネルレンズは元来、レンズの屈折面を狭い幅の帯状の領域に分けたものを平面状に置き並べた形のものであって、概略の形状が薄平板状であるため、占拠体積が小さく軽量である利点が活用される。この形のフレネルレンズを熱プレスで成形して製作するための金型は、平面にフレネルレンズ転写用の溝を刻んだ金型とこれと対向してフレネルレンズ素材を狭む平板とで構成される金型が使用される。従って、フレネルレンズは板の片面にのみ成形されている。
近年に至り、薄肉板状のフレネルレンズの特徴を利用しつつ、レンズとしての特徴をより自由に設計するため、湾曲した板の両面にフレネルレンズを成形したいとする場合が生じている。薄肉平板の両面フレネルレンズを製造する方法として片面にフレネルレンズを成形したもの２枚を平坦面で貼り合わせる方法がとられる。
しかし湾曲面の面面にフレネルレンズを成形することは、そのような金型がないため実施されておらず、したがって、湾曲面の両面がフレネルレンズである製品は製造が困難であった。
【発明の要約】
本発明はかかる要望を満たすために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、大型湾曲両面フレネルレンズを構成するパイスライス型セグメントレンズを透明度が高く、かつ高精度に成形でき、これにより高性能のレンズ機能を発揮させることができる製造方法および装置を提供することにある。
本発明によれば、大型湾曲フレネルレンズの一部を構成するセグメントレンズ（３）の上下面に嵌合する下面転写面（１１ａ）と上面転写面（１２ａ）をそれぞれ有する上下の金型（１１、１２）を超精密三次元加工で製造する超精密三次元加工ステップ（Ａ）と、
透明な熱可塑性樹脂板（７）を、その軟化点より高く融点より低い温度に保持し、前記上下の金型（１１、１２）の間で所定の圧力でプレスし、これにより、樹脂板（７）を湾曲させ、かつその上下面に両面フレネルレンズの両レンズ面（５、６）を転写する熱プレスステップ（Ｂ）とを有し、前記超精密三次元加工ステップ（Ａ）において、製造すべき大型湾曲両面フレネルレンズ（２、２’）の光軸に平行な軸であって該大型湾曲両面フレネルレンズの中心に相当する位置から半径方向に離れた位置にあるＣ軸を中心に高速で金型材（１０）を揺動させ、加工工具（１３）をＣ軸に直交するＸ−Ｙ軸とＣ軸に平行なＺ軸に３軸数値制御して、前記転写面（１１ａ，１２ａ）を創製する、ことを特徴とする大型湾曲両面フレネルレンズの製造方法が提供される。
また本発明によれば、大型湾曲両面フレネルレンズの一部を構成するセグメントレンズ（３）の上下面に嵌合する下面転写面（１１ａ）と上面転写面（１２ａ）をそれぞれ有する上下の金型（１１、１２）と、透明な熱可塑性樹脂板（７）を、その軟化点より高く融点より低い温度に保持し、前記上下の金型（１１、１２）の間で所定の圧力でプレスする熱プレス装置（１４）と、製造すべき大型湾曲両面フレネルレンズ（２、２’） の光軸に平行な軸であって該大型湾曲両面フレネルレンズの中心に相当する位置から半径方向に離れた位置にあるＣ軸を中心に、高速で金型材（１０）を揺動させる揺動テーブル（１６）と、Ｃ軸に直交するＸ-Ｙ軸とＣ軸に平行なＺ軸に加工工具（１３）を３軸数値制御する超精密加工装置（１８）とを備え、揺動テーブル及び前記超精密加工装置により前記転写面（１１ａ，１２ａ）を創製し、前記熱プレス装置及び金型により、樹脂板（７）を湾曲させ、かつその樹脂の上下面に両面フレネルレンズの両レンズ面（５、６）を転写する、ことを特徴とする大型湾曲両面フレネルレンズの製造装置が提供される。
上記本発明の方法及び装置によれば、上下の金型（１１、１２）が両面フレネルレンズ（３）の一部を構成するセグメントレンズ（３）の上下面に嵌合する下面転写面（１１ａ）と上面転写面（１２ａ）をそれぞれ有するので、透明な熱可塑性樹脂板（７）を上下の金型（１１、１２）の間でプレスして、樹脂板（７）を湾曲させ、かつ同時にその樹脂の上下面に両面フレネルレンズの両レンズ面（５、６）を転写することにより、両面フレネルレンズを効率よく製造することができる。
また、熱可塑性樹脂板（７）を、その軟化点より高く融点より低い温度に保持し、所定の圧力でプレスすることにより、面粗さが小さいため透明度が高く、かつ高精度に成形でき、これにより高性能のレンズ機能を発揮できることが確認された。
また、上記の方法及び装置により、揺動テーブル（１６）でＣ軸を中心に高速で揺動させるので、通常の３軸数値制御加工に比較して、高精度を維持したままで、金型の加工速度を数ｍ／ｍｉｎ以上に高めることができ、これにより加工面の面粗さをＲｙ１００ｎｍ前後の鏡面に仕上げることができ、透明度を高めることができた。
また、前記超精密三次元加工ステップ（Ａ）において、フレネルレンズ面のバックサイド（５ａ，６ａ）に対応する転写面をＣ軸にほぼ平行に形成する、ことが好ましい。
この方法により、熱プレス時のバックサイド（５ａ，６ａ）部の成形抵抗を低減し、かつ樹脂板の流れを抑制し高精度に成形することができる。

本発明のその他の目的及び有利な特徴は、添付図面を参照した以下の説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明の対象とする大型湾曲両面フレネルレンズの構成図である。
【図１Ｂ】本発明の対象とする大型湾曲両面フレネルレンズの構成図である。
【図１Ｃ】本発明の対象とする大型湾曲両面フレネルレンズの構成図である。
【図１Ｄ】本発明の対象とする大型湾曲両面フレネルレンズの構成図である。
【図２Ａ】本発明の大型湾曲両面フレネルレンズの製造装置の第１実施形態図である。
【図２Ｂ】本発明の大型湾曲両面フレネルレンズの製造装置の第１実施形態図である。
【図３Ａ】本発明の大型湾曲両面フレネルレンズの製造装置の第２実施形態図である。
【図３Ｂ】本発明の大型湾曲両面フレネルレンズの製造装置の第２実施形態図である。
【図４】本発明の方法における位置制御の模式図である。
【図５】本発明の実施例で得られた球面不等厚両面フレネルレンズセグメントの斜視図である。
【図６】本発明の実施例を示す両面フレネルレンズ用プレス金型の断面図である。
【図７】ＴＰＸ素材の外観を示す図である。
【図８Ａ】Ｃｙｔｏｐ素材のプレス前後の外観図である。
【図８Ｂ】Ｃｙｔｏｐ素材のプレス前後の外観図である。
【図９Ａ】ＺＥＯＮＥＸ素材の外観を示す図である。
【図９Ｂ】ＺＥＯＮＥＸ素材の外観を示す図である。
【図９Ｃ】ＺＥＯＮＥＸ素材の外観を示す図である。
【図９Ｄ】ＺＥＯＮＥＸ素材の外観を示す図である。
【図１０Ａ】ＺＥＯＮＥＸ素材のプレス前後の外観図である。
【図１０Ｂ】ＺＥＯＮＥＸ素材のプレス前後の外観図である。
【図１０Ｃ】ＺＥＯＮＥＸ素材のプレス前後の外観図である。
【好ましい実施例の説明】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図２Ａと図２Ｂは、本発明の大型湾曲両面フレネルレンズの製造装置の第１実施形態図である。この図において、図２Ａはプレス前、図２Ｂはプレス中を示している。この図の製造装置は、セグメントレンズを熱プレスする装置であり、上下の金型１１、１２と熱プレス装置１４を備える。
上下の金型１１、１２は、図１Ａに示した大型湾曲両面フレネルレンズ２、２’を分割したパイスライス型のセグメントレンズ３（以下、単に両面フレネルレンズと呼ぶ）の上下面に嵌合する下面転写面１１ａと上面転写面１２ａをそれぞれ有する。
熱プレス装置１４は、ヒータプレート１４ａを有し、透明な熱可塑性樹脂板７を、その軟化点より高く融点より低い温度に保持し、上下の金型１１、１２の間で所定の圧力でプレスする。これにより、樹脂板７を所望の形状に湾曲させ、かつその樹脂の上下面に両面フレネルレンズの両レンズ面５、６を転写するようになっている。
熱可塑性樹脂板７は、好ましくは、モノマーキャスト成形されたＰＭＭＡ（ポレメチルメタクリレート）である。ポレメチルメタクリレートは、メタクリル酸メチルの重合によって得られる透明な熱可塑性樹脂であり、屈折率は１．４８〜１．５２、軟化点は７１〜１０７℃であり、優秀な光学的性質を有している。
上述した図２Ａと図２Ｂの装置を用い、本発明の方法は、超精密三次元加工ステップ（Ａ）と熱プレスステップ（Ｂ）とからなる。
超精密三次元加工ステップ（Ａ）では、下面転写面１１ａと上面転写面１２ａをそれぞれ有する上下の金型１１、１２を超精密三次元加工で製造する。熱プレスステップ（Ｂ）では、透明な熱可塑性樹脂板７を、その軟化点より高く融点より低い温度に保持し、上下の金型１１、１２の間で所定の圧力でプレスし、これにより、樹脂板７を湾曲させ、かつその上下面にセグメントレンズの両レンズ面５、６を転写する。
熱可塑性樹脂板７が、ＰＭＭＡ（ポレメチルメタクリレート）である場合、「軟化点より高く融点より低い温度」とは、例えば、１５０〜１８０℃であり、この範囲の温度に、上下の金型１１、１２を加熱しておき、樹脂板７も同等の温度に予熱しておくのがよい。なおこの温度が低すぎると成形抵抗が過大となりかつ面粗さが悪化する。また逆に温度が高すぎると軟化した素材が流れ易くなるため、形状精度が悪化する。
プレス時の「所定の圧力」は、上記の例で２０〜１００トンであり、これは面圧約０．０２〜０．１ｔ／ｃｍ２に相当する。更にプレス後、加圧したまま常温まで徐々に冷却するのがよい。この加圧徐冷により高精度に成形ができる。
なお、樹脂板７の湾曲は、上記熱プレスステップ（Ｂ）の前に、同様の熱プレスステップを設け、湾曲のみを予め付加してもよい。また、熱プレスステップ以外の成形手段で、湾曲のみを予め付加してもよい。
図３Ａと図３Ｂは、本発明の大型湾曲両面フレネルレンズの製造装置の第２実施形態図である。この図において、図３Ａは加工前、図３Ｂは加工中を示している。この製造装置は、金型を超精密三次元加工する装置であり、揺動テーブル１６と超精密加工装置１８を備える。
揺動テーブル１６は、金型材１０を大型湾曲両面フレネルレンズ２、２’の光軸に平行なＣ軸を中心に高速で揺動させる。超精密加工装置１８は、Ｃ軸に直交するＸ-Ｙ軸とＣ軸に平行なＺ軸に加工工具１３を３軸数値制御する。加工工具１３には、例えば、焼結ダイヤモンドバイト又は単結晶ダイヤモンドバイトを用いる。
上述した図３の装置を用い、本発明の方法では、超精密三次元加工ステップ（Ａ）において、金型材１０を大型湾曲両面フレネルレンズ２、２’の光軸に平行なＣ軸を中心に高速で揺動させ、加工工具１３をＣ軸に直交するＸ-Ｙ軸とＣ軸に平行なＺ軸に３軸数値制御して、転写面１１ａ，１２ａを創製する。
図４は、本発明の方法における位置制御の模式図である。この図に示すように、揺動テーブル１６の回転中心をＯ、両面フレネルレンズの中心をＯ’、ＯとＯ’の間隔をＲ０、レンズのベース形状（例えば球面）を表す関数をｆ（ｒ）、両面フレネルレンズの中心Ｏ’からの変位角をδとすると、Ｘ-Ｙ-Ｚ軸とＣ軸の位置制御は、以下の式に基づいて行う。
ｘ＝Ｒｓｉｎδ- Ｒ０ｓｉｎδ ・・・（１）
ｙ＝-Ｒｃｏｓδ＋ Ｒ０ｃｏｓδ ・・・（２）
ｚ＝ｆ（Ｒ）-ｆ（Ｒ０） ・・・（３）
ｃ＝-δ ・・・（４）
金型材１０は、上下の金型１１、１２の素材であり、プレス成形に適した金属、例えば超硬材であるのがよい。また、Ｘ-Ｙ-Ｚ軸の３軸数値制御は、好ましくは１０ｎｍ前後の高い位置決め精度を保持したままで、１〜２ｍ／ｍｉｎ前後の速度で位置制御する。また、Ｃ軸はこれより速い高速、好ましくは数ｍ／ｍｉｎの周速に相当する１〜３ｒｐｍ（３６０〜１０８０ｄｅｇ／ｍｉｎ）で揺動する。なお、Ｃ軸もＸ-Ｙ-Ｚ軸と同時に数値制御するのが好ましいが、Ｘ-Ｙ-Ｚ軸と同期がとれる限りで数値制御なしでもよい。
通常の３軸数値制御加工による場合、高い位置決め精度を保持したままでは、加工工具１３の移動速度は１〜２ｍ／ｍｉｎ前後であり、このような低速加工では粗い加工面しか得られない。しかし本発明では、揺動テーブル１６でＣ軸を中心に高速で揺動させるので、通常の３軸数値制御加工に比較して、高精度を維持したままで、金型の加工速度を数ｍ／ｍｉｎ以上に高めることができ、これにより加工面の面粗さをＲｙ１００ｎｍ前後の鏡面に仕上げることができる。
また、同心円状のフレネル溝を両面フレネルレンズの中心Ｏ’を回転中心とする大きな回転テーブルを用いるのでなく、図４の回転中心Ｏを回転中心とする小さな揺動テーブル１６と４軸制御を用いることによって如何なる形状の溝加工も行うことができる。
更に、超精密三次元加工ステップ（Ａ）において、フレネルレンズ面のバックサイド５ａ，６ａに対応する転写面をＣ軸にほぼ平行に形成するのがよい。すなわち、バックサイド５ａ，６ａを大型湾曲両面フレネルレンズ２、２’の光軸に平行に設けることにより、熱プレス時にバックサイド５ａ，６ａ部が成形方向に向くので、その成形抵抗を低減し、かつ樹脂板の流れを抑制し高精度に成形することができる。
なお、成形抵抗を更に低減するために、バックサイド５ａ，６ａ部に若干の逃げ角を設けてもよい。
（実施例１）
以下、本発明の実施例を説明する。
図１Ａに示した大型湾曲両面フレネルレンズ１のレンズ素材は、モノマーキャスト成形されたＰＭＭＡ（ポレメチルメタクリレート）の紫外線透明グレード板（厚さ２０ｍｍ）である。パイスライス型のセグメントレンズ３はこの板材を超精密三次元加工された金型を用いて、レンズの素材の熱可塑性を利用して熱プレスによってフレネルレンズ面を転写する手段を用いた。
図１Ｂに示した大型湾曲両面フレネルレンズのセグメントレンズ３は、ＰＭＭＡ素材を外形寸法に切り出し、炉中予熱の後にプレス機に取り付けた金型１１、１２で、熱プレスし、球面とフレネルレンズ形状を金型から転写した後取り出して冷却した。冷却後、プレス品の周囲の余分な部分を切削除去した。
熱プレス成形用の超精密金型は、４種のセグメントレンズごとに製作しなければならないが、レンズが変わっても金型の基本構造は同じである。この金型は、下記の項目を考慮した設計を行い製作した。
（１）両面フレネルレンズ溝への対応。（上下の位置決め機構）
・ 熱プレス成形の使用温度範囲での円滑な摺動。
・ ガイドポストとガイドブッシュの適切なクリアランス。
・ ガイドポスト及びガイドブッシュの材質の選定。
・ ガイドの位置ピッチに対する熱膨張率の考慮。
・ ガイドポスト及びガイドブッシュ形状の設計。
（２）湾曲形状への対応。（ロッキング機構）
・ 熱プレス成形の使用温度範囲での円滑な摺動。
・ プレス成形時に発生した分力に対応。
・ 加圧開始時にフリーな状態を保つこと。
・ ズレを生じる位置からロッキング機構が機能すること。
・ 加圧終了時には、ズレを完全に受けきること。
（３）偏肉形状への対応。（温度調節機構）
・ 熱プレス成形の使用温度範囲で安定した温度管理ができること。
（４）精密熱プレス成形への対応（スペーサ機構）
・ 偏肉形状への対応と両面フレネル溝への対応について工程を分けて行えること。
フレネルレンズ転写面は大型超精密加工装置を用いて加工し、金型の組立て・調整を行った。フレネルレンズ転写面を超精密に鏡面切削するため、ダイヤモンドバイト、加工用治具の設計・製作・ＮＣプログラムの作成を行った。この超精密切削は、焼結ダイヤモンドバイトと単結晶ダイヤモンドバイトを用いて、粗加工と仕上加工の二回に分けて行い、面粗度Ｒｙ１００ｎｍの精密な鏡面が得られた。
更に加工したフレネルレンズ転写面は、加工後、腐食の発生を防止するために、Ｎｉメッキ処理を行った。このＮｉメッキの厚さは約４μｍであり、面粗度はＲｙ約１５０ｎｍに低下した。
熱プレスは、射出成形のように樹脂を溶融流動する程には昇温することなく、熱軟化状態での加圧流動（塑性変形）を利用した成形法である。射出成形に比して、昇温・冷却の温度幅が小さく、昇温・冷却ともに緩やかであるため製品内の熱による残留応力は小さく、均質なものが得られやすい。一方、大幅な材料の流動を伴わないと成形できないような、形状変化の激しいものでは成形は難しい。また、仮に昇温して高加圧して鏡面切削したフレネルレンズ面を完全密着転写（転写率１００％）した場合、密着して型から製品を剥がすことが困難になる。
フレネルレンズを熱転写で製作する場合、一般的には、基板形状が平面であることと、フレネルレンズの刻みピッチは０．５ｍｍ以下（バックサイドの高さも０．５ｍｍ以下）で片面だけであること、そして、金型製作に対しては、素板の板形状に成形（押し出しやモノマーキャスト）する際の残留熱応力が、熱プレス成形時の昇温による解放とこれに伴う変形寸法変化が、発生するため金型形状を補正する必要がある。
今回の大型湾曲両面フレネルレンズの製作では、フレネルレンズのバックサイドの高さが１ｍｍ均一で、レンズの光軸方向の厚さが全面２０ｍｍと均一で、球面形状でかつ、表裏に転写されるフレネルレンズ光軸が合致することが要求される。すなわち、バックサイド高さが深い溝（１ｍｍ）の転写が必要であること、光軸方向のレンズの厚さ２０ｍｍ均一の条件は、レンズの半径方向の位置によって面垂直方向の厚さが変化することであり、厚さ２０ｍｍの均一厚さの素板を偏肉させなければならない。熱収縮による球面形状の変化、型から取りだした後の自重による球半径の変化（球面歪み）なども考慮しなければならない。
このような内容を考慮して加工実験を行った。熱プレス成形により成形されたセグメントレンズを得た。このセグメントレンズは、面粗さが優れており透明度が非常に高く、かつ高精度にフレネルレンズ溝を転写したセグメントレンズが成形されていることが確認された。また、レンズを通して結像した画像から、高精度のレンズ機能を有することが確認できた。
以下に図２Ａと図２Ｂに示したセグメントレンズの熱プレス装置について詳細に説明する。
図５は、フレネルレンズの一例を示す斜視図である。このフレネルレンズは、両面フレネルレンズであること、基準面は両面ともに球面であること、複数枚が組立てられて１枚のフレネルレンズになるセグメントレンズであることが特徴のフレネルレンズである。
図６は、本発明の一実施例を示す両面フレネルレンズ用金型の断面図である。この図において、３は図５に示した両面フレネルレンズ、１１、１２はフレネルレンズを転写する上下の金型、３１、３２は金型の枠板であり、それぞれ金型１２と金型１１と一体となるように固定されている。４１、４２は金型の開閉方向を規制するガイドピン、５１、５２はガイドピン４１、４２にそれぞれ嵌合するガイドブッシュ、６１、６２、６３、６４は、プレスのストロークの終端を規制するストロークリミッタである。上下の金型１１、１２は枠板３１に圧入されたガイドピン４１とガイドピン４２とが、枠板３２に圧入されたガイドブッシュ５１とガイドブッシュ５２にそれぞれ微小間隙をもって滑動可能に嵌合している。
図６の金型は、上述したように両面フレネルレンズ用金型の構造になっていることから、これを動作させるには、一方向に直線的に往復し、ベット側およびラム側にそれぞれ固定されたこの往復の方向に垂直な平面をもつ２枚の加圧板を持つ図示しないプレス機を使用する。この２枚の加圧板の間に両面フレネルレンズ用金型を置き、クランプ等適宜の方法で枠板３１をプレス機の一方の加圧板に固定し、枠板３２をプレス機のもう一方の加圧板に固定すれば、プレス機のストロークで両面フレネルレンズ用金型を開閉させることができる。
図６においてａはこの開閉方向を示す矢印である。このように、プレス機内に設置した両面フレネルレンズ用金型で、熱可塑性透明樹脂製の両面フレネルレンズ成形品を成形するには、金型１１と金型１２をプレス機のストロークによって、矢印ａ方向に型を開き、この金型１１と金型１２の間に昇温軟化させた熱可塑性透明樹脂板７を置く。樹脂板が軟化状態であるうちにただちに、プレス機を矢印ｂの方向すなわち型を閉じる方向にストローク動作させると樹脂板７は金型１１と金型１２に挟圧され全体として球面形状に湾曲させられるとともに、両面にフレネルレンズが転写される。成形製品の厚さは、ストロークリミッタ６１と６２およびストロークリミッタ６３と６４によって規制される。プレス機のストロークをストロークリミッタのところまで押し切った状態で、樹脂が降温硬化するまで待てば、両面フレネルレンズ１が得られる。
上記の実施例では、金型１１、１２を加熱し、あるいは冷却する積極的手段を何ら示していないが、金型１１、１２をプレス時に適宜の昇温状態に保つ場合には、金型１１、１２、枠板３１、３２或いは図示しないプレス機の加圧板など適宜の部分に加熱用部品、断熱用部品、温度センサ等を組込んで温度制御を行うことが好ましい。また成形後、製品および金型の温度を自然放冷より早めて冷却する場合には、金型、枠板、プレス機の加圧板などの適宜の部分に流通穴を穿って冷媒を通すなどの冷却手段を講じる。
また上記の実施例では、プレス前の熱可塑性樹脂素板の厚さは、金型のストロークリミットまで押し切ったとき、所定の厚さで転写良好のフレネルレンズ面を得られるように、昇温条件、樹脂材質等に対応して適正プレス代を加えたものとする。また、両面フレネルレンズが不均等な厚さのものである場合には熱可塑性樹脂素板も対応する厚さ分布をもつものを用いるのがよい。さらにプレス時の熱可塑性樹脂と金型の温度、プレス速度とプレス力等のプレス条件については、フレネルレンズ形状、熱可塑性樹脂材質に見合って適正に設定される。
（実施例２）
次に透明な熱可塑性樹脂板７として、上述したＰＭＭＡ（ポレメチルメタクリレート）以外の材料を用いた熱プレス成形実験を実施した。ＰＭＭＡ以外の材料としては、ＴＰＸ（ポリメチルペンテン）、Ｃｙｔｏｐ（旭硝子株式会社製のフッ素系樹脂）、ＺＥＯＮＥＸの３種類を使用した。
１．ＴＰＸについて
テスト用のＴＰＸ素材（図７）は、耐熱ガラスのビーカにＴＰＸのペレットを入れて真空乾燥炉で溶かして固めたものである。このＴＰＸ素材を１８０℃の温風乾燥炉の中で１００分アニーリング（軟化工程）を行った。全体的に黄色みがかかり、粘着性（ベトベト）のある表面状態になった。硬さは、常温の時と変わらず、少しも軟化しなかった。また、表面がベトベト状態になったため、１８０℃以上の温度によるテストは行っていない。
２．Ｃｙｔｏｐについて
Ｃｙｔｏｐ素材を、１８０℃の温風乾燥炉の中に入れて、３分程度で取り出した時には、すでにねじ曲げられるほどに軟化した。また、厚みが１０ｍｍ程度しかなかったため３枚重ねて金型温度７０℃でプレスを行った（図８Ａ）。その結果、図８Ｂのように、溝形状が転写された。
３．ＺＥＯＮＥＸについて
テスト用のＺＥＯＮＥＸ素材として、丸棒から厚さ２０ｍｍ程度に切り出したものをアニール実験に使用した。また、耐熱ガラスのビーカにＺＥＯＮＥＸのペレットを入れて真空乾燥炉で溶かして固めたものを熱プレス実験に使用した。丸棒から切り出した素材を１８０℃の温風乾燥炉の中で１００分アニーリング（軟化工程）を行った。表面は軟化したが中央部分まで軟化せず、そのままプレス成形を行うと割れが発生した（図９Ａ、図９Ｂ）。また、素材自体には、気泡が発生した。次に、２４０℃の温風乾燥炉の中で１００分アニーリング（軟化工程）を行った。素材は、完全に流動を始めた。その軟らかさを示すためにワッフルのように折りたたんでみたものを図９Ｃ、図９Ｄに示す。その時も、素材自体には、気泡が発生していた。中央部分まで軟化させることが難しく、気泡の発生を抑える条件を見極めることはできなかった。基本的に、アクリルのようなコシがあり、ゴム状の軟らかさになることはなかった。
そこで、加圧力をかけずに樹脂の溶けるスピードに合わせてプレス転写を行った。上型の下がるスピードは制御できないため、上型の重さで油圧の油の抜けるスピードに任せて溶かしながら転写した。表面が完全に流動してハンバーグみたいになっていますが、溝の転写はよく、透明性も維持されていた（図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ）。しかし、気泡は発生した。下降スピードを調節と冷却速度の制御が重要であることがわかった。
上述した実施例２から、ＰＭＭＡ（ポレメチルメタクリレート）以外の材料では成形が難しく、ＰＭＭＡが特に適していることが確認された。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。例えば、本発明を大型湾曲両面フレネルレンズを分割したパイスライス型のセグメントレンズの製造以外の「一般的な両面フレネルレンズ」にも同様に適用することができる。また、本発明における「上下の金型」は上下に位置する金型に限定されず、水平方向にプレスする場合をも含むものである。
上述した本発明の方法及び装置によれば、上下の金型１１、１２が分割したパイスライス型のセグメントレンズ３の上下面に嵌合する下面転写面１１ａと上面転写面１２ａをそれぞれ有するので、透明な熱可塑性樹脂板７を上下の金型１１、１２の間でプレスして、樹脂板７を湾曲させ、かつ同時にその樹脂の上下面にセグメントレンズの両レンズ面５、６を転写することにより、大型湾曲両面フレネルレンズを構成するパイスライス型セグメントレンズを効率よく製造することができる。
また、熱可塑性樹脂板７を、その軟化点より高く融点より低い温度に保持し、所定の圧力でプレスすることにより、面粗さが小さいため透明度が高く、かつ高精度に成形でき、これにより高性能のレンズ機能を発揮できることが確認された。
さらに、本発明の方法及び装置により、揺動テーブル１６でＣ軸を中心に高速で揺動させるので、通常の３軸数値制御加工に比較して、高精度を維持したままで、金型の加工速度を数ｍ／ｍｉｎ以上に高めることができ、これにより加工面の面粗さをＲｙ１００ｎｍ前後の鏡面に仕上げることができた。
また上述した両面フレネルレンズ用プレス金型を用いて、熱可塑性樹脂を昇温軟化の状態でプレスすることにより、従来製造が困難であった、両面がフレネルレンズである製品を容易に製造することができるようになった。製作できる両面フレネルレンズは、円形平板状で均等な厚さもち同心円溝をもつフレネルレンズはもちろん、湾曲面上のフレネルレンズ、不均等厚さのフレネルレンズ、同心円溝の一部分だけからなるフレネレレンズおよびこれらを組合せた図５に示した湾曲面・不均等厚さ・部分フレネルレンズのようなものまで、多様で複雑なものが含まれる。さらに、本発明を用いれば、一体で製作が困難であるような大形フレネルレンズであっても、セグメントに分割して製作し、後に複数のセグメントを接着等により一体に組み立てれば製作が可能になる。
従って、本発明の大型湾曲両面フレネルレンズの製造方法および装置は、大型湾曲両面フレネルレンズを構成するパイスライス型セグメントレンズを透明度が高く、かつ高精度に成形でき、これにより高性能のレンズ機能を発揮できる等の優れた効果を有する。

Claims (3)

1. 大型湾曲フレネルレンズの一部を構成するセグメントレンズ（３）の上下面に嵌合する下面転写面（１１ａ）と上面転写面（１２ａ）をそれぞれ有する上下の金型（１１、１２）を超精密三次元加工で製造する超精密三次元加工ステップ（Ａ）と、
   透明な熱可塑性樹脂板（７）を、その軟化点より高く融点より低い温度に保持し、前記上下の金型（１１、１２）の間で所定の圧力でプレスし、これにより、樹脂板（７）を湾曲させ、かつその上下面に両面フレネルレンズの両レンズ面（５、６）を転写する熱プレスステップ（Ｂ）とを有し、
   前記超精密三次元加工ステップ（Ａ）において、製造すべき大型湾曲両面フレネルレンズ（２、２’）の光軸に平行な軸であって該大型湾曲両面フレネルレンズの中心に相当する位置から半径方向に離れた位置にあるＣ軸を中心に高速で金型材（１０）を揺動させ、加工工具（１３）をＣ軸に直交するＸ−Ｙ軸とＣ軸に平行なＺ軸に３軸数値制御して、前記転写面（１１ａ，１２ａ）を創製する、ことを特徴とする大型湾曲両面フレネルレンズの製造方法。
2. 前記超精密三次元加工ステップ（Ａ）において、フレネルのバックサイド（５ａ，６ａ）に対応する転写面をＣ軸にほぼ平行に形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の大型湾曲両面フレネルレンズの製造方法。
3. 大型湾曲両面フレネルレンズの一部を構成するセグメントレンズ（３）の上下面に嵌合する下面転写面（１１ａ）と上面転写面（１２ａ）をそれぞれ有する上下の金型（１１、１２）と、
   透明な熱可塑性樹脂板（７）を、その軟化点より高く融点より低い温度に保持し、前記上下の金型（１１、１２）の間で所定の圧力でプレスする熱プレス装置（１４）と、
   製造すべき大型湾曲両面フレネルレンズ（２、２’） の光軸に平行な軸であって該大型湾曲両面フレネルレンズの中心に相当する位置から半径方向に離れた位置にあるＣ軸を中心に、高速で金型材（１０）を揺動させる揺動テーブル（１６）と、
   Ｃ軸に直交するＸ-Ｙ軸とＣ軸に平行なＺ軸に加工工具（１３）を３軸数値制御する超精密加工装置（１８）とを備え、
   揺動テーブル及び前記超精密加工装置により前記転写面（１１ａ，１２ａ）を創製し、
   前記熱プレス装置及び金型により、樹脂板（７）を湾曲させ、かつその樹脂の上下面に両面フレネルレンズの両レンズ面（５、６）を転写する、ことを特徴とする大型湾曲両面フレネルレンズの製造装置。

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