JP4426910B2 - モールドプレス成形型、光学素子の製造方法、及びモールドプレスレンズ - Google Patents
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Description
すなわち、ガラス素材が軟化した状態で成形型に荷重を印加し、ガラス素材に成形面形状を転写した後は、特に荷重を印加することなく、成形されたガラス素材(以下、成形レンズという。)及び成形型を冷却し、その後、成形ガラスを離型できるからである(以下、押切りプレス方式という。)。
すなわち、成形後の冷却中に荷重を印加することなく、成形ガラスを離型してしまうと、レンズ中心と周辺部分で曲率半径が連続的に変化する「クセ」や、成形レンズ面内においてレンズの曲率半径が不連続的又は不規則に変化する「面不良」が発生し易いことが認められた。これは、冷却中にガラスが収縮する際、不均一な収縮を生じたり、成形面形状とは異なった曲率になり易いためと考えられる。
なお、近接転写面は、面内の最大荷重を受けるため、連続面からなる構成とすることで、成形レンズにおける過度な応力の集中を回避して、成形後の割れや欠けを防止することができる。ここで、連続面とは、角部をもたない曲面、平面、又はその組みあわせであり、滑らかに連続する面をいう。
また、本発明のモールドプレス成形型は、前記上型及び前記下型の近接転写面のうち、少なくとも一方の近接転写面が、プレス軸に対して垂直な平面を有する構成としてある。この場合、前記上型及び前記下型の近接転写面の両方をプレス軸に対して垂直な平面を有する構成とすることがより好ましい。
これらのようにすると、近接転写面による「クセ」や「面不良」の抑制効果が高められるだけでなく、成形レンズにおける過度な応力の集中をより確実に回避することができる。
このようにすると、近接転写面以外の部分でも過度な応力の集中を回避し、成形後の割れや欠けを防止することができる。
このようにすると、割れや欠けを回避しつつ、「クセ」や「面不良」の発現を抑制して、精度の高い光学素子を効率良く製造することができる。
このようにすると、冷却中に印加される第二荷重が、光学有効径内の中心部に集中されるのを回避する。これにより、冷却開始後の荷重印加によって面精度を改善しつつ、それを原因として発現するレンズ中心部の「クセ」や「面不良」を抑制し、高精度な光学素子を効率良く製造することができる。
この温度範囲で第二荷重を印加すると、近接転写面の効果が顕著となり、「クセ」や「面不良」の発生が抑制された高精度の光学素子を得ることができる。
このようにすると、連続的な荷重の印加により、成形難度の高い形状のレンズが成形可能である。
このようにすると、冷却工程において、光学有効径内の中心部に対する荷重の集中が回避されるので、光学有効径内の中心部分における「クセ」や「面不良」の発生が抑制され、高い面精度の凹レンズが得られる。
更には、成形レンズにおける過度な応力の集中を回避し、成形後の割れや欠けも防止することができる。
まず、比較例をもとにモールドプレス成形装置の概要を説明する。
図1は、比較例に係るモールドプレス成形型の断面図である。
なお、以下の説明においては、ガラス素材(成形レンズ)2のガラス転移点以上の温度域における線膨張係数をα、上型10、下型20及び胴型30の線熱膨張率をβ、ガラス素材(成形レンズ)2(例えば、両球面の凹メニスカスレンズ)における中心肉厚をtc、ガラス素材(成形レンズ)2の光学有効径(レンズとしての光学的な使用可能な光学機能面の径)をD、上型10の中心高さをX、下型20の中心高さをYとする。
ところで、レンズの成形に、このような成形工程を採用すると、後述する比較例に示す通り、レンズ中心の曲率が変化するクセを生じ易いことが確認された。
中心部(Lc)の収縮量Scは、
K{(X+Y)β+tc α} … 式(1)
A部2a(La)の収縮量Spは、
K{(X+Y+tc−tp)β+tp α} … 式(2)
つぎに、本発明に係るモールドプレス成形型について、図2〜図4を参照して説明する。ただし、上記の比較例と共通する構成については、比較例と同じ符号を付し、比較例の説明を援用する。
図2は、本発明の第一実施形態に係るモールドプレス成形型の断面図、図3は、本発明の第二実施形態に係るモールドプレス成形型の断面図、図4は、本発明の第三実施形態に係るモールドプレス成形型の断面図である。
具体的に説明すると、近接転写面11a、21aは、プレス軸に垂直な平面をもち、成形レンズ2の外端部に、つば状の平坦部を成形する。この部分は、成形レンズ2において光学有効径内のいずれの部分よりも肉厚が小さい肉厚最小部となる。
上下の近接転写面11a、21aは、平面を有することが好ましい。また、上下の近接転写面11a、21aは、相互にほぼ平行であるか、又は相互間の傾きが所定の角度以内であることが好ましい。すなわち、それぞれの接線がなす角度が30°以内であることが好ましく、より好ましくは、上下の近接転写面11a、21aが、いずれもプレス軸に対して垂直な平面を有することが好ましい。
また、成形面11、21の全体形状は連続面からなることが好ましい。鋭角的な凸部が転写された成形レンズ2の凹部には、応力が集中し、成形後における割れや欠けの原因となり易いからである。
本発明においては、上記の成形型を用い、成形素材として例えば光学ガラスからなるガラス素材を用い、プレス成形を行う。
本発明に適用するガラス素材としては、ガラス転移点以上の線熱膨張率が600×10−7/K〜1800×10−7/Kの範囲であるものが好適に用いられる。
プレス成形開始時のガラス素材の温度は、粘度が109ポアズ以下となる温度であることが好ましい。より好ましくは、105.5〜109ポアズの範囲である。一方、上下型からなる成形型温度は、ガラス素材の粘度で107ポアズ以上となる温度範囲が好ましい。
型外で予熱されたガラス素材を、予熱された成形型に供給する場合には、ガラス素材の予熱温度を成形型の予熱温度より高くし、供給後ただちにプレス成形を開始する方法を採ることができ、成形サイクルタイムの短縮に有利である。この場合、成形型の予熱温度は107〜1012ポアズ相当、ガラス素材の予熱温度は、105.5〜108.5ポアズ相当が好ましい。
上下型の温度は同一でもよく、差を設けてもよい。プレス成形するレンズ形状や、硝材に応じて決定することができる。
また、冷却中のガラスの粘度が1010ポアズ以上に相当するいずれかの温度において第二荷重の印加が行われることが好ましい。また、より好ましくは、ガラス粘度が1012ポアズ以上に相当するいずれかの温度において第二荷重の印加を行う。
本発明の光学素子は、光学有効径内において中心部に肉厚最小部をもつ凹レンズであって、光学有効径の外側に、光学有効径内のいずれの部分よりも肉厚が小さく、かつ、連続面からなる被転写面を有するモールドプレスレンズである。これを満たす限り、形状は限定されない。例えば、球面を有していても、非球面を有していてもよい。特に、中心肉厚の小さい凹レンズ(例えば、中心肉厚が1mm未満のもの)において、本発明の効果が顕著である。更に、中心と周辺の肉厚差が大きいもの(特に、光学有効径内における肉厚最小部と肉厚最大部の肉厚比が2倍以上、更には3倍以上のもの)において、本発明の顕著な効果が得られる。
なお、本発明による光学素子を光学機器に使用する場合、光学有効径の外側に形成された被転写面は切除(いわゆる芯取り)することが可能である。
図1に示す成形型1を用いて、凹レンズを成形した。なお、上型10、下型20及び胴型30の素材には炭化珪素を用いた。該素材の線熱膨張率は35×10−7/Kである。成形レンズ2は両球面の凹メニスカスレンズであり、凹面曲率半径は2mm、凸面曲率半径は12mmとした。また中心肉厚は0.4mmから0.8mmまでの範囲に設定した。該レンズの光学的機能領域は中心部から2.5mmの部分までである(光学有効径は5.0mm)。
また、前記一連の作業を、中心肉厚が0.4mm、0.6mm、0.8mmの成形レンズ2について、それぞれ行った。
図2に示す成形型1を用いて、比較例と同じ光学性能をもつレンズを同様のプロセスで成形した。この上型10、下型20及び胴型30の組合せでは、成形レンズ2の中心部(Lc)から半径5mmより外径部に肉厚最小部分(以下、B部2bと表記する。)がある点で、図1の成形型1と異なっている。すなわち、光学素子としての光学機能領域である半径2.5mmより外側に肉厚最小部が存在し、成形レンズ2の中心部(Lc)は肉厚最小部とはなっていない。B部2bの肉厚は、成形レンズ2の中心肉厚よりも0.2mm薄くなっている。なお、B部2bを通る垂直線をLbとする。
また、上記した図3に示す、上型10及び下型20の成形面11および21がともに成形型1を用いて両凹レンズを成形し、上記した図4に示す成形型1を用いて平凹レンズを成形した。その結果、上記実施例1と同様の優れた効果が得られた。
2 ガラス素材(成形レンズ)
10 上型
11 成形面
11a 近接転写面
20 下型
21 成形面
21a 近接転写面
30 胴型
Claims (9)
- 対向する成形面を有する上型と下型によって、成形面間に配置した成形素材をプレスし、成形素材に成形面形状を転写することにより、光学有効径内において中心部が肉厚最小部となる光学素子を成形するモールドプレス成形型であって、
前記上型及び下型のそれぞれが、成形面における光学有効径の外側に、成形面間距離が光学有効径内のいずれの部分よりも小さく、かつ、連続面からなる近接転写面を有することを特徴とするモールドプレス成形型。 - 対向する成形面を有する上型と下型によって、成形面間に配置した成形素材をプレスし、成形素材に成形面形状を転写することにより、光学有効径内において中心部が肉厚最小部となる光学素子を成形するモールドプレス成形型であって、
前記上型及び下型のそれぞれが、成形面における光学有効径の外側に、成形面間距離が光学有効径内のいずれの部分より小さく、かつ成形面が互いにほぼ平行となる近接転写面を有することを特徴とするモールドプレス成形型。 - 前記上型及び前記下型の近接転写面のうち、少なくとも一方の近接転写面が、プレス軸に対して垂直な平面を有することを特徴とする請求項1又は2記載のモールドプレス成形型。
- 前記上型及び前記下型の成形面全体を連続面としたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のモールドプレス成形型。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のモールドプレス成形型を用いて、光学素子を成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
- 光学有効径内における中心部に肉厚最小部を有する光学素子の製造方法であって、
ガラス素材を、上型及び下型を有する成形型内に供給し、
前記ガラス素材が加熱により軟化した状態で、前記成形型に第一荷重を印加して、前記成形型の成形面形状を前記ガラス素材に転写し、
前記ガラス素材の冷却中に、前記成形型に第二荷重を印加し、
前記ガラス素材を、所定温度まで冷却した後、離型する
ことを特徴とする請求項5記載の光学素子の製造方法。 - 前記第二荷重の印加が、前記成形型内でプレス成形された前記ガラス素材の粘度が1010ポアズ以上に相当する温度であるときから、離型する温度までのいずれかの温度において行われることを特徴とする請求項5又は6記載の光学素子の製造方法。
- 前記第二荷重の印加が、前記第一荷重の印加に続いて行われることを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
- 光学有効径内において中心部に肉厚最小部を有する凹レンズであって、
光学有効径の外側に、光学有効径内のいずれの部分よりも肉厚が小さく、かつ、連続面からなる被転写面を有することを特徴とするモールドプレスレンズ。
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