JP4508501B2 - 光学ガラス素子の成形型 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱軟化した光学ガラス素材を押圧し、光学ガラス素子を製造するための光学ガラス素子の成形型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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し金型でプレスして成形するという製造方法が盛んに行われている。
【０００３】
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、摺動させることで光学素子の光軸方向に対する上下面のズレを規制する方法は以前から紹介されている。例えば、特開昭６２−２９２６４１号公報には、成形型を構成する材料の熱膨張係数を胴型の材料が持つ熱膨張係数より大きくし、常温では成形型と胴型のクリアランスが大きく、成形時の高温下ではクリアランスが狭まり、高い精度で偏芯精度を確保する方法が示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、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が非常に小さくなり、挿入時の成形型と胴型の僅かな傾きにより、噛みつきや、それに起因する変形が発生し、取り扱いが難しかった。また、挿入を容易にするために胴型と成形型のクリアランスを大きくすると、押圧成形時での胴型に対する成形型の傾きを小さくするために、長い嵌合長を必要とし、成形型および胴型のサイズが大型化してしまう。
【０００５】
さらに、特開昭６２−２９２６４１号公報に提案された方法では、常温でのクリアランスは大きく取ることができるが、材料の選択に規制が生じ、限られた成形条件を実現するためには致命的な制限条件となってしまう。さらに、成形条件が一定でないと、成形型と胴型のクリアランスが変化し、成形温度により偏芯精度が低下したり、場合によっては胴型が成形型を締め付け、破損してしまうことがある。
【０００６】
さらに、上記成形型と胴型を嵌合させる方法において、外側からヒーターにより成形型を昇温する際に、当然胴型の温度も上昇してしまう。つまり、成形型の光学面付近に胴型が接触していると、成形面の外側が高く、中心部が低い温度分布が付いた状態で昇温されるため、胴型と嵌合されない場合があった。これを避けるために成形面付近の成形型を細くすると、嵌合長が短くなるために、偏芯の精度が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、成形型を胴型に挿入する際に高精度な駆動軸を利用することなく、胴型とのカジリを生じさせずに挿入でき、また偏芯精度の高い光学ガラス素子を高い信頼性で製造できる光学ガラス素子の成形型を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る光学ガラス素子の成形型は、胴型内の相対する成形型の間に光学ガラス素子を配置して、加熱、押圧による成形を行い冷却後に、成形型を離型して光学ガラス素子を取り出す光学ガラス素子の成形型において、
（（ｅ＾２−ｄ＾２）＾０．５）＝Ｌ としたときに、
ただし、ここでｄは成形型の嵌合部直径、ｅは胴型の嵌合部内径とする、
上式で表されるＬ未満の軸方向の長さを有する、胴型へ挿入する際に最初に胴型に接触する第１の嵌合部と、次に上記胴型に接触する第２の嵌合部と、これら２つの嵌合部に挟まれる部分の直径がｄ未満である段差部と、を光学素子を挟んで相対する成形型の双方、あるいは一方に設けることを特徴とする。
【０００９】
次に、上記発明の作用を説明する。
円筒の内側に円筒の内径未満の薄い円盤を入れて円筒の中心軸に対して傾けても、円筒の内周面に接触することはなくカジリが発生することはない。しかし、円盤の厚みを増していくと、ある厚み以上では円盤を傾けたときに円筒の内周面と接触することになる。
【００１０】
この厚みＬは、円盤の直径をｄとし、円筒の内径をｅとした時に、以下の式で表すことができる。
（（ｅ＾２−ｄ＾２）＾０．５）＝Ｌ……（１）
【００１１】
図１を用いて説明する。図１（ａ）は下型の胴型内への挿入時を示す中央縦断面図、図１（ｂ）は下型の胴型内への挿入完了状態を示す中央縦断面図である。ここでは、上側の成形型である上型１と胴型３を締結した構造とし、下側の成形型である下型２の上に成形ガラス素材７を載せ、上型１に締結された胴型３を下型２に挿入し、昇温、押圧後、冷却して成形品を取り出す場合を例にして説明する。
【００１２】
まず、下型２の構成を説明すると、先端側に上記円盤と同じ意味合いを持つ第１の嵌合部としての一段目の嵌合部４が設けられ、この嵌合部４の直径未満の直径を有する段部５を挟んで第２の嵌合部としての二段目の嵌合部６が、上記一段目の嵌合部４と同じ直径で設けられている。
【００１３】
胴型３の内径ｅは５０．００ｍｍ、下型２の直径となる一段目の嵌合部４の直径ｄが４９．９９３ｍｍで、下型２と胴型３を挿入する際に最初に嵌合することになる一段目の嵌合部４の長さＬは、上式（１）によりＬ＝約０．８３６６３１ｍｍとなる。もちろん、真円度、円筒度も考慮しなければならないが、ここでは割愛して説明を進める。
【００１４】
胴型３と接触してカジリを発せさせない状態で胴型３内に下型２を挿入するためには、一段目の嵌合部４の長さはＬ未満である必要があり、Ｌ_１＝０．８ｍｍの嵌合長とする。その部分に続き、直径ｄ未満である直径ｄ_１＝４９ｍｍの段差５の部分がＬ_２＝２９．２ｍｍの長さであり、さらに直径ｄ＝４９．９９３ｍｍの二段目の嵌合部６が嵌合長Ｌ_３＝１０ｍｍあるので、下型２の嵌合長Ｌ_４＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３＝約４０ｍｍとなる。
【００１５】
このとき、従来では挿入途中、少し傾くだけでカジリが発生し、上下の成形型を相対的に接近、離反させる軸の駆動精度が高いことが必要とされた。しかし、図１に示した嵌合部形状にすることで、例えば胴型を１０ｍｍ、下型に挿入した時点でも、約３度の傾きに対する許容差を得ることができる。さらに、胴型内周と下型嵌合部外周との間に直径差で５μｍ程度のクリアランスを有する嵌合でも、手動、自動に関わらず、挿入を劇的に容易にすることができる。つまり、本方法では、胴型と成形型の材料が同じでも、常温下での嵌合部の挿入が容易であり、高い精度で偏芯を制御することが可能になり、前述の成形条件に対する制約を無くすことができる。もちろん、成形型と胴型の材料を変えた場合でも、胴型と成形型の嵌合部分の直径差が小さい場合には当然有効である。また、成形型の嵌合部分のエッジ、胴型のエッジには、当然のことながら適当なＲをつけて構わない。
【００１６】
本発明の請求項２に係る光学ガラス素子の成形型は、請求項１の光学ガラス素子の成形型において、上記第１の嵌合部は、成形される光学ガラス素子の光学面から成形型の嵌合部直径ｄの１／３以下の距離にあり、上記第２の嵌合部は、成形される光学ガラス素子の光学面から成形型の嵌合部直径ｄの１／２以上の距離にあることを特徴とする。
【００１７】
次に、上記発明の作用を説明する。
請求項２の発明では、温度分布等の影響を小さくするために、成形面付近を胴型と嵌合させたくない場合でも、一段目の嵌合部（下型を胴型へ挿入する際に最初に嵌合する部分）に短い接触面積の嵌合部分を成形型の光学面付近に設けることで、嵌合面積が小さいため熱伝導の影響を小さく押さえながら嵌合長を保ち、同時に胴型へ成形型を容易に挿入可能とすることができる。
【００１８】
なお、嵌合部分については、円周上の全面が嵌合面である必要ではなく、例えば熱伝導のコントロールを行うために、部分的に、非嵌合面を造形しても、本発明の意図から外れることがなければ、何ら問題ない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１を図２に基づいて説明する。本実施の形態は、光学ガラス素子として回転対称形状である両面凸レンズを成形する場合の例であり、図２はプレスレンズの光学成形用素材を一方の成形型上に載置して相対する金型を挿入した時の正断面図である。
【００２０】
本実施の形態の成形型は、上型１と下型２からなり、両型１，２とも胴型３内へ挿入して成形ガラス素材７を押圧成形するようになっている。上型１は、その先端に成形面１ａを有しており、成形面１ａから距離をおいて第１の嵌合部としての一段目の嵌合部４が設けられている。さらに、一段目の嵌合部４から距離をおいて第２の嵌合部としての二段目の嵌合部６が、一段目の嵌合部４と同じ直径で設けられており、一段目の嵌合部４と二段目の嵌合部６との間には、嵌合部４，６より直径の小さい段差５が設けられている。また、下型２は、上型１と同じ形状で同じ寸法に形成されており、上型１と同様に符号を付し、その説明を省略する。なお、下型２の成形面を１ｂと表示する。成形面１ａ，１ｂおよび外形形状は、上下型１，２共に凹面非球面形状である。ただし、下型２の二段目の嵌合部６の最終端には、胴型３のストッパー８となる段差が付いている。これらの材料としては超硬（タングステンカーバイド）を用いた。
【００２１】
次に、上型１および下型２の具体的な寸法の一例を挙げて説明する。
上型１および下型２は、各嵌合部４，６の直径ｄ＝１９．９９５ｍｍ、胴型３と最初に嵌合する一段目の嵌合部４が成形面面頂から４ｍｍの距離にあり、光軸方向の嵌合部４の長さは０．４ｍｍ、段差５の直径は１７ｍｍであり光軸方向の長さは４．６ｍｍ、二段目の嵌合部６の直径は同じく１９．９９５ｍｍ、長さは３５ｍｍである。ここで、胴型３の内径ｅ＝２０ｍｍと成形型の直径ｄ＝１９．９９５ｍｍから上式（１）によりＬを算出すると、約０．４４７ｍｍとなる。
【００２２】
光学成形用素材７を下型２に載置し、まずは胴型３を下型２に挿入する。この時、胴型３は約１度の成形面光軸に対する傾きの最大バラツキを持って自動的に挿入される。さらに、上型１を胴型３に挿入する。この挿入も下型２と同様に１度の成形面光軸に対する傾きの最大バラツキを持って自動的に挿入される。この後、上下型１，２と胴型３を５３０℃まで１０分で昇温し、５分間保持した後、２００Ｎの荷重をかけて光学成形用素材７を押圧する。その後、１５０℃まで冷却されたところで、成形された光学素子を取り出す。
【００２３】
なお、金型の寸法は、これに限定されることはなく、もちろん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。
【００２４】
本実施の形態によれば、以下の効果を奏することができる。
従来は、高い嵌合精度の挿入を行うために、非常に高精度に制御された装置で挿入を行う必要があった。つまり、上下型１，２を相対的に接近および胴型３を挿入させる駆動装置が高精度であれば、高い精度で偏芯精度を確保するために胴型３を使用するメリットが低下し、高精度な軸を利用して偏芯精度を確保するのとコスト的に変化が無くなってしまう。しかし、本実施の形態によれば、安価な上下型１，２の駆動および胴型３の挿入装置で成形が可能となり、同時に信頼性を向上させることも可能である。また、人間によるメンテナンスの際にも、カジリを発生させて、成形型あるいは胴型３の嵌合面を変形させてしまうことが無くなる。つまり、従来は非常に高い精度が要求される嵌合面が変形すると、偏芯精度の保証ができなくなるため、使用不能になることが多かったが、それらの心配を無くすことができる。
【００２５】
（実施の形態２）
本実施の形態の上型１および下型２は、実施の形態１の上下型１，２にある段差５の光軸方向の長さが２４．６ｍｍ、二段目の嵌合部６の光軸方向の長さが１５ｍｍであることを除き、実施の形態１と同様である。すなわち、本実施の形態の上型１および下型２にあっては、嵌合部４，６の直径の１／３は６．６６５ｍｍであり、一段目の嵌合部４の位置は成形面面頂（成形する光学ガラス素材の光学面に相当）から４ｍｍで、嵌合部直径の１／３以下となっている。さらに、嵌合部４，６の直径の１／２は約９．９９７ｍｍであり、二段目の嵌合部６は、成形面面頂から（４＋０．４＋２４．６）＝２９ｍｍの距離に位置し、嵌合部直径の１／２以上となっている。
【００２６】
本実施の形態によれば、上記構成を用いることで、実施の形態１では昇温に１０分をかけないと、所望の温度分布以上の温度差が発生してしまうため、時間を短縮できなかったが、実施の形態２では、主に熱が伝導する部分である二段目の嵌合部６から成形面までの距離が長いため、温度分布が緩和され、５分で昇温することが可能になる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１の光学ガラス素子の成形型によれば、従来と比較して安価な成形装置を提供することが可能になり、偏芯精度の高い光学素子を高い信頼性で製造できる。また、高価な成形型あるいは胴型の変形も防止することができる。
【００２８】
本発明の請求項２の光学ガラス素子の成形型によれば、請求項１の効果に加え、成形型の所望温度までの加熱を早く行え、成形時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概念図で、図１（ａ）は下型の胴型内への挿入時を示す中央縦断面図、図１（ｂ）は下型の胴型内への挿入完了状態を示す中央縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１を示し、プレスレンズの光学成形用素材を一方の成形型上に載置して相対する金型を挿入した時の正断面図である。
【符号の説明】
１ 上型
２ 下型
３ 胴型
４ 一段目の嵌合部
５ 段差
６ 二段目の嵌合部
７ 光学成形用素材
８ ストッパー

Claims (2)

1. 胴型内の相対する成形型の間に光学ガラス素子を配置して、加熱、押圧による成形を行い冷却後に、成形型を離型して光学ガラス素子を取り出す光学ガラス素子の成形型において、
   （（ｅ＾２−ｄ＾２）＾０．５）＝Ｌ としたときに、
   ただし、ここでｄは成形型の嵌合部直径、ｅは胴型の嵌合部内径とする、
   上式で表されるＬ未満の軸方向の長さを有する、胴型へ挿入する際に最初に胴型に接触する第１の嵌合部と、
   次に上記胴型に接触する第２の嵌合部と、
   これら２つの嵌合部に挟まれる部分の直径がｄ未満である段差部と、
   を光学素子を挟んで相対する成形型の双方、あるいは一方に設けることを特徴とする光学ガラス素子の成形型。
2. 上記第１の嵌合部は、成形される光学ガラス素子の光学面から成形型の嵌合部直径ｄの１／３以下の距離にあり、
   上記第２の嵌合部は、成形される光学ガラス素子の光学面から成形型の嵌合部直径ｄの１／２以上の距離にあることを特徴とする請求項１記載の光学ガラス素子の成形型。

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