JP4559315B2 - 光学素子の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子の成形方法に関し、特に、ガラスやプラスチック等の成形素材を使用して、レンズやプリズムなどを型成形によって製造する技術に関する。

たとえば、特許文献１および特許文献２に記載されているように、レンズやプリズムなどの光学素子の製造分野では、非球面等の複雑な光学面形状を有する光学素子の量産化が比較的容易な、型成形による製造技術が一般化している。

たとえば、特許文献１では、被成形ガラスを挟んで対向して配置された一対の成形用型の背後をヒータを内蔵した型ブロックで保持し、型ブロックをプランジャで押圧することで、被成形ガラスの加熱、押圧成形および冷却を一対の成形用型（成形工程）の内部で完結させる構成の光学素子の成形方法が開示されている。

この特許文献１の従来技術では、成形用型や型ブロックの全体を昇温ないし冷却する操作を反復する必要があるため、昇温および降温の１成形サイクルに多大な時間を要し、成形工程の能率が低下する。また成形サイクルを短縮すべく、冷却途中で早期に成形型を開いたり、加圧せずに成形型を解放して冷却すると必要な成形精度が得られない、という技術的課題があった。

このため、特許文献２では、成形サイクルの各段階を、加熱ステージおよび設定温度の異なる複数の加圧ステージで構成し、押型および胴型からなる型セットを、前記各ステージ間を逐次移動させることで、加熱、成形、冷却の一連の成形工程が完結する構成として、各ステージにおける加熱／冷却の反復を不要にして、成形工程の能率向上および成形精度の向上を実現しようとしている。すなわち、この特許文献２では、温度一定な成形ステージが多数あり、成形素材の加熱工程後に、この成形素材を次々に温度の低い成形ステージに移していき、成形するようにしていた。

しかし、成形で高い面精度を確保するためには、成形素材を型内に保持したままで連続的な温度変化と連続的な荷重の付与が必要であるにもかかわらず、上述の特許文献２の従来技術では、設定温度が異なる値に設定された複数のステージ間を段階的に型セットが移動するため、温度の変化が段階的であってスムーズでない上に、ステージ間を移動する際に成形型の押圧荷重が解除される。このため、成形型の温度や押圧荷重の連続的で滑らかな変化を実現することが出来ず、成形品の高精度な面精度を確保するのに不向きであった。

この場合、強いて設定温度の滑らかな変化を実現するためには、設定温度の差が小さな多数のステージを配置することが考えられるが、成形装置の構造の複雑化、規模の増大を招き、成形設備の価格が高騰し、成形される光学素子の価格の増大をもたらす。

更に、上述のように、ステージ数を増やす対策では、最終ステージにおける成形製品の取り出しの時間的間隔を短縮して生産効率を向上させるためには、増加したステージ数分だけ、高価な型セットを準備して連続的に各ステージ間を移動させる必要があり、さらにコスト高となる。
特公平３−５２４１４公報 特公平５−４７４８８公報

本発明の目的は、設定温度の異なる工程の数を必要以上に増加させることなく、低コストで高精度の成形製品を得ることが可能な成形技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、型セットの数を必要以上に増加させることなく、低コストにて高精度の成形品を高スループットにて製造することが可能な成形技術を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、成形時に成形素材が一定の中心肉厚に到達したことを条件として、所定の制御温度に切り替えるようにして、制御温度の切り替え時点から成形完了までの成形素材の変形量を均一化した成形技術を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、成形時に成形素材の変形速度を適正にコントロールすることで、成形時間のばらつきを抑制し、常に良好な転写精度を得られるようにした成形技術を提供することにある。

本発明は、成形素材を挟んで対向する一対の成形型および前記成形型が挿嵌されるスリーブを含む型セットを、各々が互いに異なる温度に設定された加熱工程、成形工程および冷却工程を順に移動せしめつつ前記成形素材を成形する光学素子の成形方法であって、
前記成形工程および冷却工程の少なくとも一つは、前記型セットを一対の前記熱伝導体で挟持してから解放するまでの過程で、前記熱伝導体の設定温度を、高温側から低温側へと減少方向に変化させる変化工程を有する。

また、上記の光学素子の成形方法において、前記成形工程は、前記変化工程を有する。
さらに、上記の光学素子の成形方法において、前記成形工程では、前記型セットの前記成形型に対する荷重を漸増させる。
また、上記の光学素子の成形方法において、前記熱伝導体の設定温度は、前記型セットの解放後に、初期設定温度に復帰させられる。
また、上記の光学素子の成形方法において、前記成形工程では、前記型セットの押圧成形を開始した後、前記一対の成形型の型間距離が所定値に達した時点から前記変化工程を開始する。
また、上記の光学素子の成形方法において、前記成形工程では、前記型セットの押圧成形を開始した後、前記一対の成形型の型間距離の変化速度を検出して、前記変化速度が所定の速度よりも遅いときは前記熱伝導体の温度を上昇させ、速いときは前記熱伝導体の温度を下降させる。

本発明によれば、まず、互いに設定温度が異なる個々の工程間で型セットを移動させることで、一つの工程において型成形に必要な広い温度範囲での昇温ないし冷却を行う必要がない。そして、設定温度が互いに異なる個々の工程において熱伝導体で型セットを挟持し、当該工程で必要な温度範囲において、型セットの昇温ないし冷却を行う。このため、一つ工程で型成形に必要な広い温度範囲での昇温ないし冷却を行う場合に比較して、温度変更が必要な機構部の体積を小さく抑えることができる。そのため、加熱、成形、冷却の各工程において、型セットを温度変化させるときに温度変更の所要時間を短縮することができる。ひいては、１台あたりの生産設備による光学素子又は熱可塑性素材の成形個数を多くすることが出来る。

さらに、成形工程および冷却工程のうちの少なくとも一つの工程において、型セットを一対の熱伝導体で挟持してから解放するまでの過程で、前記熱伝導体の設定温度を、高温側から低温側へと減少方向に変化させる変化工程を有するので、例えば成形工程では、成形素材における段階的な温度変化や断続的な荷重の解放が発生しないので、成形型の成形面を高精度に成形素材に転写して、成形品における面精度を確保することが可能となり、また、例えば冷却工程では、急激な冷却による成形品のヒビ、割れ、カン等の発生が防止される等の利点を有する。

また、互いに設定温度の異なる複数の工程と、個々の工程での温度変化を組み合わせるので、微妙な温度変化を与える等の目的で、成形工程を、設定温度が僅かに異なる多数の工程に分割する必要がない。このため、工程数に応じた型セット数の増加も極力抑制でき、成形装置の価格高騰を抑えられるとともに、準備する型セットの数も最小限とすることができる。

本発明によれば、一定のタイミングで成形時の熱可塑性素材の制御温度を切り替えるのではなく、最終の成形過程において押込み量(成形量)を略一定とするために、転写性の向上が図られる。すなわち、成形当初は熱可塑性素材の軟化点に近い温度（熱可塑性素材が柔らかい状態）まで加熱する。この加熱された熱可塑性素材を、予め所定の位置まで押込んでいき（初期変形させ）、熱可塑性素材が所定の中心肉厚に到達したら、その時点を基準として最終成形に移行すべく、所定の制御温度に切り替える。これにより、最終の成形過程での押込み量を略同じ制御温度で成形することが可能となり、押込量不足や押込量過多による転写不良や肉厚不良が抑制される。

本発明によれば、熱可塑性素材の変形速度を適正にコントロールすることで、成形時間がばらつくのを抑制し、良好な転写精度が得られるようになる。すなわち、変形可能な粘度に加熱軟化した熱可塑性素材を押圧成形する際、検知手段により一対の成形型の型間距離を連続的に検知して、成形時における型間距離の変化速度を演算する。そして、その変化速度が、予め設定した目標設定速度に対して遅いときは、成形工程での制御温度を上昇させて目標設定速度に近づける。また、その変化速度が、予め設定した目標設定速度に対して速いときは、成形工程での制御温度を下降させて目標設定速度に近づける。これにより、成形時間の大幅な変動や、熱可塑性素材の粘土の不適正等、熱可塑性素材のばらつき等に起因する成形品質への影響を抑制可能となる。

本発明によれば、設定温度の異なる工程の数を必要以上に増加させることなく、低コストで高精度の成形製品を得ることが可能となる。
また、型セットの数を必要以上に増加させることなく、低コストにて高精度の成形品を高スループットにて製造することが可能となる。

更に、本発明によれば、熱可塑性素材の体積バラツキや、装置コンディションによる加熱能力のバラツキに影響されることなく、略同一の押込み量（成形量）を略同じ制御温度で変形成形できるので、成形終了時に所望の厚さまで熱可塑性素材を変形成形できなかったり、押込み量不足による転写不良が生じるのを防止することができる。

更にまた、本発明によれば、成形時間がみだりに変動するのを防止することができると共に、所望の厚さまで熱可塑性素材を変形成形できなかったり、熱可塑性素材の粘度の不適正による転写精度の低下を防止することができる。これにより、熱可塑性素材や装置状態のばらつきに起因する成形品品質への影響を改善することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
(第１の実施の形態)
図１は、本発明の一実施の形態である成形方法を実施する成形装置の構成の一例を示す概念図であり、図２は、本実施の形態の成形装置の熱伝導体の一つを取り出して示す断面図、図３は、本実施の形態の成形装置に供される型セットの構成の一例を示す断面図、図４および図５は、本実施の形態の成形方法および成形装置の作用の一例を示す線図である。

まず、図３を参照して、本実施の形態にて用いられる型セット１の構成について説明する。本実施の形態の型セット１は、上型２、下型３、スリーブ４を含んでいる。上型２および下型３は、スリーブ４の内部で、それぞれの成形面２ａおよび成形面３ａが対向するように当該スリーブ４の両端側から挿嵌され、上型２はスリーブ４の軸方向に摺動可能になっている。上型２の成形面２ａと下型３の成形面３ａの間には、たとえばガラスやポリエチレン、ポリカーボネイト等の熱可塑性素材で造られた成形素材５が配置されている。本実施の形態の場合、上型２および下型３は、一例としてタングステンカーバイド（ＷＣ）等の超硬合金を研磨して製作されている。また、成形素材５は、たとえば略球体形状を呈する市販の光学ガラス（たとえば、株式会社オハラ製のＳ−ＬＡＨ５８）で構成されている。

一方、図１に例示されるように、本実施の形態の成形装置６は、加熱工程部１８、成形工程部１９および冷却工程部２０を備えている。
加熱工程部１８は、上下に対向する一対の熱伝導体としての上伝熱板８および下伝熱板９と、上伝熱板８を上下（対向）方向に駆動する駆動手段としてのエアシリンダ１５を含んでいる。エアシリンダ１５による上伝熱板８の昇降動作により、加熱工程部１８における型セット１の挟持、挟圧、解放等の動作が行われる。上伝熱板８および下伝熱板９には、温度調節器２４および温度調節器２５がそれぞれ接続されており、上伝熱板８および下伝熱板９の温度制御が行われる。

成形工程部１９は、上下に対向する一対の熱伝導体としての上伝熱板１０および下伝熱板１１と、上伝熱板１０を上下（対向）方向に駆動する駆動手段としてのエアシリンダ１６を含んでいる。エアシリンダ１６による上伝熱板１０の昇降動作により、成形工程部１９における型セット１の挟持、挟圧、解放等の動作が行われる。上伝熱板１０および下伝熱板１１には、温度調節器２６および温度調節器２７がそれぞれ接続されており、上伝熱板１０および下伝熱板１１の温度制御が行われる。

冷却工程部２０は、上下に対向する一対の熱伝導体としての上伝熱板１２および下伝熱板１３と、上伝熱板１２を上下（対向）方向に駆動する駆動手段としてのエアシリンダ１７を含んでいる。エアシリンダ１７による上伝熱板１２の昇降動作により、冷却工程部２０における型セット１の挟持、挟圧、解放等の動作が行われる。上伝熱板１２および下伝熱板１３には、温度調節器２８および温度調節器２９がそれぞれ接続されており、上伝熱板１２および下伝熱板１３の温度制御が行われる。

加熱工程部１８、成形工程部１９および冷却工程部２０の各々を構成する一対の上伝熱板８と下伝熱板９、および上伝熱板１０と下伝熱板１１、および上伝熱板１２と下伝熱板１３は、成形室７に収容されている。

複数の温度調節器２４〜温度調節器２９、およびエアシリンダ１５〜エアシリンダ１７は、型セット１の移動タイミングを制御している動作制御盤３０の指示により、個々の工程部での初期温度の設定、さらには温度変更および加圧等のタイミングの制御を行うようになっている。

すなわち、この動作制御盤３０は、たとえばコンピュータで構成され、内部に設定されたプログラムにより、個々の工程部での、上伝熱板８〜下伝熱板１３の初期温度等（後述の加熱工程温度Ｔ１、成形工程温度Ｔ２、成形初期温度Ｔｍｓ、成形終期温度Ｔｍｅ、冷却工程温度Ｔ３、冷却初期温度Ｔｃｓ、冷却終期温度Ｔｃｅ）の設定、さらには加熱方向、冷却方向への温度変更およびエアシリンダ１５〜エアシリンダ１７による荷重Ｆの作用の有無等のタイミングの制御を行う機能を備えている。

図２に例示されるように、上伝熱板８〜下伝熱板１３の各々は、板状の伝熱体２３と、この伝熱体２３の内部に埋設された内部ヒータ２２で構成されている。本実施の形態の場合、伝熱体２３は、熱伝導率の良いセラミックス（たとえば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）／窒化ホウ素（ＢＮ）系のセラミックス）で構成され、加熱用の内部ヒータ２２としては、セラミックヒータ（例えばＳＩＣセラミックヒータ）が使用されている。

そして、温度調節器２４〜温度調節器２９の各々は、内部ヒータ２２に接続され、たとえば内部ヒータ２２に対する通電量を制御することで伝熱体２３の温度制御を行う。
このように、上伝熱板８〜下伝熱板１３の各々を容積の小さな板状の伝熱体２３で構成することにより、当該伝熱体２３の温度は、内部ヒータ２２による加熱／加熱停止により、良好な応答性にて制御される。

また、特に図示しないが、成形室７の内部には、加熱工程部１８、成形工程部１９および冷却工程部２０の間における型セット１の移動を行うための移動手段が設けられている。

以下、本実施の形態の成形方法および装置の作用の一例について説明する。
図４に示すように、本実施の形態における加熱工程部１８、成形工程部１９および冷却工程部２０の各々における初期設定温度は、それぞれ、加熱工程温度Ｔ１が８３０℃，成形工程温度Ｔ２が８００℃，冷却工程温度Ｔ３が５２０℃に設定されているものとする。

図３に示す型セット１が、図示しない移動手段によって、成形室７内の加熱工程部１８に投入されると、予め上述の加熱工程温度Ｔ１に温度が調節された上伝熱板８がエアシリンダ１５の駆動により下降し、下伝熱板９との間で型セット１を挟持して伝熱する。このとき、上伝熱板８，下伝熱板９の８３０℃に対して、型セット１の内部の成形素材５の成形素材温度Ｔ０は、ほぼ６０秒〜７０秒で約７８０℃に達して軟化状態となる。

型セット１の加熱の完了後、エアシリンダ１５の退避により上伝熱板８を上昇させて型セット１を解放し、解放された型セット１は図示しない移動手段によって成形工程部１９に移動する。そして同様にエアシリンダ１６の駆動により上伝熱板１０を降下させて型セット１を下伝熱板１１との間で挟持して伝熱し、加圧成形する。

このとき初期的には、上伝熱板８，下伝熱板９の成形工程温度Ｔ２（この場合、成形初期温度Ｔｍｓ：８００℃）によって成形素材５の成形素材温度Ｔ０は７５０℃となる。一方、成形素材５は、この成形素材温度Ｔ０で軟化状態にあり、たとえば荷重Ｆ（たとえば２０Ｎ（ニュートン））の印加により成形面２ａおよび成形面３ａの形状に塑性変形して成形されるが、冷却しないと硬化しないので、上伝熱板１０，下伝熱板１１の成形工程温度Ｔ２を成形初期温度Ｔｍｓ（この場合、８００℃）から成形終期温度Ｔｍｅ（この場合、７３０℃）までなだらかに降下させることによって、成形素材５を除々に硬化させつつ加圧成形する。この成形工程部１９で付与する荷重Ｆは、継続的に印加され、この荷重Ｆを、たとえば、２Ｎ（ニュートン）から２０Ｎ（ニュートン）まで増圧しつつ成形する。

このようにして、たとえば、成形面２ａと成形面３ａの中心軸（光軸）における距離（すなわち、成形対象のレンズ等の光学素子の光軸における厚さ寸法）が所定の規定値になるまで、すなわち所望の中肉（なかにく：中心部の肉厚）まで、成形素材５を押込んだところで押し込み動作を停止し、上伝熱板１０，下伝熱板１１の温度が成形終期温度Ｔｍｅ（この場合、７３０℃）で成形素材温度Ｔ０が７００℃となって硬化が完了し、成形工程を完了する。

そして、エアシリンダ１６を退避して型セット１を解放し、図示しない移動手段によって冷却工程部２０に移動させる。
そして、冷却工程部２０では、エアシリンダ１７の駆動により上伝熱板１２を降下させて型セット１を下伝熱板１３との間で挟持して所定の温度まで冷却する。このとき、上伝熱板１２および下伝熱板１３の冷却初期温度Ｔｃｓ（この場合、５２０℃）により成形素材温度Ｔ０（成形素材５）は５４０℃まで冷却されて、さらに、上伝熱板１２，下伝熱板１３の温度を冷却終期温度Ｔｃｅ（この場合、４３０℃）までスムーズに低下させ、成形素材温度Ｔ０が、たとえば４５０℃となるようにして、急激な冷却による成形品のヒビ、割れ、カン（表面の微小欠落）の発生を防止する。

この冷却工程の完了後、エアシリンダ１７を退避し上伝熱板１２を上昇させ、型セット１を解放したのち、図示しない移動手段によって成形室７の外に排出する。型セット１の内部の成形素材５（成形品）は上型２および下型３をスリーブ４から抜去して取り出す。

本実施の形態によれば、成形素材５の加熱終了後の成形から硬化まで間において、成形素材５に対して連続的に荷重を付加しつつ、かつ温度をスムーズに下げて当該成形素材５を硬化させているので、成形素材５における段階的な温度変化や断続的な荷重の解放が発生しないので、成形面２ａおよび成形面３ａを高精度に成形素材５に転写して、成形品における面精度を確保することができる。

また、成形品の品質を優先する場合でも、滑らかな加熱や冷却を実現する目的で工程を設定温度の異なる多数の工程に必要以上に細分化する必要がなく、工程数の増加による成形装置の価格の高騰もなく、かつ、工程数に応じて高価な型セットを必要以上に多く準備する必要もない。

すなわち、設定温度の異なる工程の数を必要以上に増加させることなく、低コストで高精度の光学素子等の成形製品を得ることが可能となる。また、型セット１の数を必要以上に増加させることなく、低コストにて高精度の成形品を高スループットにて製造することが可能となる。
［変形例１］
成形素材５を成形するときに、連続的な荷重の付加と段階的でないスムーズな温度変化としたい温度範囲では、通常使用する熱可塑性の成形素材５を加熱して変形可能な硬さとし、その後、冷却して変形不能な硬さまで保持し続けることが望ましい。

その場合、軟化温度の上限（成形上限温度ＴＨ）は屈伏点Ａｔ＋３０℃までに抑える必要があり、それ以上軟らかくしようとしても、成形素材５が変質して透明度が失われたり、小さく結晶化が発生して不良品となってしまう。

また、逆に冷却する温度の下限（成形下限温度ＴＬ）は転移点Ｔｇ−３０℃で、それより温度を下げても成形素材５は硬化しきっており、逆に荷重によって表面的なキズや割れが発生する怖れがでてくる。

つまり、本変形例では、連続的かつスムーズに荷重および温度を変化させて成形する温度範囲は、素材の屈伏点Ａｔと転移点Ｔｇによって、上限（成形上限温度ＴＨ）はＡｔ＋３０℃で、下限（成形下限温度ＴＬ）はＴｇ−３０℃の変形温度範囲内で成形する。これにより、成形素材５から得られる成形品の失透、結晶化、表層キズ、表層割れなどの不具合の発生を回避することができる。
［変形例２］
本変形例の場合、成形素材５の成形時における型セット１の温度の変更幅については、たとえば、１００℃を超えるような比較的大きな温度変化を要する場合は、それぞれに異なる温度に設定された工程間の型セット１の移動により、当該型セット１に温度変化を与え、また、１００℃に満たないような比較的小さな温度変化を要する場合は、各工程に装備した上下の伝熱板の設定温度の変更によって、型セット１に温度変化を与えるようにする。この基準で、工程間の移動による温度制御および工程内での温度制御を使い分けることにより、工程の細分化を防止し工程数の増加を抑制する。

本変形例において、上述の温度幅を１００℃とした理由は以下の通りである。すなわち、本実施の形態では、上述の図２に例示したように、個々の上下の伝熱板を構成する内部ヒータ２２に、比較的温度復帰レスポンスの良いセラミックヒータ（例えばＳＩＣセラミックヒータ）を使用し、それを内包する伝熱体２３には熱伝導率の高いセラミックヒータ（例えばＡｌＮ―ＢＮセラミック）を使用しており、温度変化量が１００℃までなら比較的早く、たとえば７０秒以内で再び元の初期設定温度に復帰させることができる、という結果が得られている。しかし、それ以上の温度差がついてしまうと復帰にそれ以上長い時間を要してしまい、複数の工程部からなるラインのバランスが崩れてしまう。

この７０秒という値は、加熱工程部１８において、市販のＳ−ＬＡＨ５８からなる成形素材５を常温から７８０℃まで昇温するのに要する時間とほぼ同等であり、工程バランスがとりやすいというメリットがあり、この７０秒で復帰可能な温度範囲として、上述の１００℃を採用している。

このような、本変形例における工程の分割設定方法によれば、成形装置の分割工程数を、明確な基準で決定することができ、必要以上に工程数が増加することを防止して、成形工程の設備価格の高騰を防止できるとともに、必要な型セット１の数を適度に抑制することができる。
［変形例３］
加熱軟化が完了した成形素材５を押圧変形させて成形する場合において、成形工程部１９の温度変化は変形例１と変形例２に示す温度範囲において実施することが良好な転写性を実現する観点から有効である。さらに、成形素材５の加熱軟化後の成形工程における、上下の伝熱板、型セット１および成形素材５の温度変化は、上述の実施の形態に示すように、連続的かつスムーズに、高温側から低温側に、つまり成形素材５が軟らかい側から硬い側に変化しつつ、その間、常時、荷重Ｆを付加して変形させるのが、転写性のさらなる向上に有効である。

もし、低温で硬い成形素材５を除々に加熱して荷重Ｆを付加し、成形素材５を軟化して行き、変形を進行させて、その工程で最も成形素材５が軟らかくなった時点で目的の形状に達し、成形を完了したとすると、成形工程部１９を終了するために荷重Ｆを解除して型セット１を取り出すときに成形素材５の表層が軟らかいために当該成形素材５が型内で動いてしまい、良好な転写性を得ることは不可能である。

よって本変形例では、温度を成形初期温度Ｔｍｓから成形終期温度Ｔｍｅまで低下させつつ、この温度変化に同期して荷重Ｆを同時に漸増するように付加することで、つまり成形素材５の硬化と変形を同時に進行させることで良好な面精度を実現する。
［変形例４］
本変形例では加熱工程部１８の後の成形工程部１９において、上伝熱板１０、下伝熱板１１、型セット１、成形素材５の温度を低下させつつ荷重Ｆを付加して、硬化と変形を同時に進行させ良好な転写性を得る。

当該成形工程部１９の終了後において、次の成形品を成形するためには、低下させた温度を元の初期温度に回復させておく必要がある。そうすることで、次の成形品が成形工程部１９に到来した時点で即座に成形工程を実施することが可能となる。

すなわち、図４、図５に例示されるように、加熱工程部１８、成形工程部１９および冷却工程部２０の各々における設定温度への復帰は、前の型セット１の成形工程が完了してから、次の型セット１の加熱工程が完了するまでの間に、成形工程温度Ｔ２、冷却工程温度Ｔ３の温度復帰が完了するように調整する。図５の成形工程部温度復帰時点Ａ１と次の成形工程開始時点Ａ２を近付けると、繰り返しピッチタイムの最短化が可能になる。そのとき、先行する型セットが成形工程中に、次の型セットが加熱に入っているという場合もある。また、冷却工程部復帰時点Ｂ１と次の冷却工程開始時点Ｂ２の前後関係を加味してＡ１とＡ２をできるだけ近接させる必要がある。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、加熱工程部１８、成形工程部１９および冷却工程部２０の個々の工程において、工程部の全体を昇温ないし冷却せずに、上伝熱板８、下伝熱板９、上伝熱板１０、下伝熱板１１、上伝熱板１２、下伝熱板１３の各々を内部ヒータ２２で選択的に加熱／冷却することで、型セット１のみを昇温ないし冷却するので、温度が変化する構成部位の体積を小さくすることができ、温度制御に際しての温度の変更所要時間を短縮することができる。ひいては、生産設備における単位時間当たりの生産個数（スループット）を大きくすることができる。

また、たとえば成形工程部１９では、上伝熱板１０および下伝熱板１１の設定温度を変化させつつ荷重Ｆを連続的に付加して成形するため、荷重Ｆは途中で解放されることなく連続性を確保することができるとともに、温度変化においても、段階的ではなくスムーズな温度変化を維持できるので、成形素材５の連続的で滑らかな型成形を実現することができる。よって、成形面２ａおよび成形面３ａの成形素材５に対する転写精度が向上し、成形素材５から型成形にて高精度な成形品を得ることができる。

更に本実施の形態では、工程の分割数の決定に際して上述のような基準を設けることで、工程数の増加を極力抑制するので、成形装置６の価格高騰を抑えるとともに、準備する型セット１の数も最小限とすることができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
(第２の実施の形態)
図６は、第２の実施の形態の成形装置を示している。同図において、図１に示した部材と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。また、前述と同様に、成形素材５も、ガラスやポリエチレン、ポリカーボネイト等の熱可塑性素材を用いた場合について説明する。

図６において、本実施の形態では、加熱工程部１８において、８７０℃の伝熱板（熱伝導体）９上で加熱された型セット１は、移動アーム３５によって成形工程部１９に搬送される。この成形工程部１９では、上下伝熱板（熱伝導体）１０，１１が８３０℃に加熱されており、ここでエアシリンダ（駆動手段）１６により約２Ｎで挟持成形が開始される。そして、成形開始後、直径４．０ｍｍの成形素材５の中心肉厚が３．８ｍｍまで潰れたところで、上下伝熱板１０，１１の制御温度を切り替える。

このときの成形素材５の中心肉厚は、上下型２，３間の距離すなわち上下伝熱板１０，１１間の距離で測定される。上下伝熱板１０，１１間の距離は、エアシリンダ１６のロッド１６ａに固定された検知片４０の変位量を、成形室７のフレームに取付けたセンサ（検知手段）４１にて検知して行う。そして、この検知信号に基づき、制御部（制御手段）４２の高さ監視部４６にて、内部に設定されたプログラムにより型セット１の型間距離が演算される。また、制御部４２は、前述した高さ監視部４６と、該高さ監視部４６での演算結果に基づき加熱温度や加圧荷重等を制御する温度制御部４３、荷重制御部４４、動作制御部４５を有している。以上により、センサ４１からの検知信号は、高さ監視部４６に取り込まれ、この高さ監視部４６での演算結果に基づき、制御部４２を介して型セット１に対する温度制御、荷重制御、動作制御が行われる。なお、前記センサ４１としては、例えば光センサや磁気センサ等の非接触センサが用いられるが、これに限らず、例えばリニアポテンショメータ等の接触式センサであっても良い。

次に、図７（ａ）（ｂ）に基づき、制御部４２における制御内容を説明する。
図７（ａ）は、成形工程部１９における成形温度と成形時間との関係を示す図であり、図７（ｂ）は、高さ監視部４６での演算内容を示すもので、押込み量（成形量）と成形時間との関係を示す図である。

同図（ａ）（ｂ）において、前述したように、成形工程部１９では、上下伝熱板（熱伝導体）１０，１１が８３０℃に加熱されていて、ここでエアシリンダ１６により型セット１の挟持成形が開始される。このとき、エアシリンダ１６のロッド１６ａの変位量は、センサ４１によって検知されている。そして、成形開始位置（ａ点）では、球形の成形素材５の直径は４．０ｍｍである。次いで、エアシリンダ１６を駆動させて、約２Ｎで型セット１を押圧して成形素材５の挟持成形を行う。このとき、成形素材５の中心を通る肉厚が、３．８ｍｍまで潰れたところで（ｂ点）、制御部４２により、上下伝熱板１０，１１の制御温度を８００℃に切り替える。

更に、これと略同時に、エアシリンダ１６による押圧荷重を約２Ｎから約１５Ｎに増圧し、成形素材５を冷却硬化させつつ変形成形を行う。そして、成形素材５が変形して、その中心肉厚が１．２ｍｍとなったところで変形成形を完了する（ｃ点）。次いで、エアシリンダ１６による押圧荷重をゼロとし、対向する上下伝熱板１０，１１を解放する。次に、移動アーム３５によって型セット１を冷却工程部２０に移動させる。

なお、本実施の形態で用いた成形素材５は、球状直径φ４ｍｍ、成形外径５ｍｍの光学ガラス（ＯＨＡＲＡ製）Ｓ−ＬＡＨ５８である。
本実施の形態によれば、最終の変形成形量（ｂ点からｃ点までの変形量）は、常に２．６ｍｍ（途中中心肉厚３．８ｍｍ―最終中心肉厚１．２ｍｍ）と毎回一定となり、この区間では温度・荷重も等しく与えることで、均等な成形条件を得ることができる。これにより、成形品の品質（成形品中心肉厚、転写精度）を安定させることができる。また、成形素材５の中心肉厚が１．２ｍｍとなったところで、変形成形を完了するようにしたので、常に、最終の変形成形距離を一定に保つことができる。このため、変形成形時間が大幅に変動することもなく、また、押込み量（成形量）も一定化させることができるので、転写不良の発生も抑制することができる。
(第３の実施の形態)
図８は、第３の実施の形態の成形装置を示している。同図において、図１及び図６に示した部材と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。また、成形素材５も、ガラスやポリエチレン、ポリカーボネイト等の熱可塑性素材を用いた場合について説明する。

図８において、本実施の形態では、加熱工程部１８において、型セット１は成形素材５の軟化点付近の温度８７０℃に加熱されて適度な粘度に軟化されている。この後、型セット１は、移動アーム３５によって成形工程部１９に搬送される。この成形工程部１９では、上下伝熱板１０，１１が、制御温度を８００℃に加熱されている。この状態で、エアシリンダ（駆動手段）１６が駆動されて、約２Ｎで型セット１を押圧して成形素材５の挟持成形が開始される。

本実施の形態では、前記と同様に、上下型２，３の型間距離は上下伝熱板１０，１１間の距離で測定される。この上下伝熱板１０，１１間の距離は、エアシリンダ１６のロッド１６ａに固定された検知片４０を、成形室７のフレームに取付けたセンサ４１にて連続的に検知することで行われる。そして、この検知信号が制御部（制御手段）４２の速度監視部５１に取り込まれ、この速度監視部５１では、内部に設定されたプログラムにより、センサ４１からの前記検知信号に基づき、上下型２，３の型間距離の変化速度を演算する。制御部４２は、速度監視部５１と、該速度監視部５１にて演算された上下型２，３の型間距離の変化速度に基づき温度制御や荷重制御等を行う温度制御部４３、荷重制御部４４、動作制御部４５を有している。なお、前記センサ４１としては、例えば光センサや磁気センサ等の非接触センサが用いられるが、これに限らず、例えばリニアポテンショメータ等の接触式センサであっても良い。

次に、図９（ａ）（ｂ）に基づき、制御部４２における制御内容を説明する。
図９（ａ）は、速度監視部５１での演算内容を示すもので、成形工程部１９におけるロッド部１６ａの高さ位置と成形時間との関係を示す図であり、図９（ｂ）は、制御温度と成形時間との関係を示す図である。同図（ａ）において、この速度監視部５１では、エアシリンダ１６による成形開始位置（荷重開始位置）ｏ点より０．４秒後におけるロッド部１６ａの高さ位置ａ点と、成形開始位置ｏ点より０．６秒後におけるロッド部１６ａの高さ位置ｂ点に基づき、型セット１の型間距離の変化速度Ｖ＝（ａ−ｂ）ｍｍ／ΔＴ（０．２ｓｅｃ）を求める。なお、成形開始位置ｏ点より０．４秒後におけるロッド部１６ａの高さ位置ａ点を基準としたのは、上伝熱板１０が型セット１に当接するまでに必要十分な時間として設定したものである。図９（ａ）によると、ｏ'点で上伝熱板１０が型セット１に当接したことがわかる。

そして、この変化速度Ｖの値が、基準値Ｖ₀＝１．０ｍｍ／ｓｅｃよりも小さい場合（図９（ａ）のＶ₁＝（ａ−ｂ１）ｍｍ／ΔＴ（０．２ｓｅｃ）参照）は、制御部４２により、成形工程部１９の上下伝熱板１０，１１の制御温度をプラス５℃だけ変更制御する。これは、成形素材５の硬度が高いので、制御温度を高めて素材硬度を適度に低下させて変化速度を高め、基準値Ｖ₀に近づけるためである。

また、変化速度Ｖの値が、基準値Ｖ₀＝１．０ｍｍ／ｓｅｃより大きい場合（図９（ａ）のＶ₂＝（ａ−ｂ２）ｍｍ／ΔＴ（０．２ｓｅｃ）参照）は、制御部４２により、成形工程部１９の上下伝熱板１０，１１の制御温度をマイナス５℃だけ変更制御する。これは、成形素材５の硬度が柔らかいので、制御温度を下げて素材硬度を適度に高くして変化速度を遅くし、基準値Ｖ₀に近づけるためである。

この場合、この温度制御と略同時に、エアシリンダ１６による成形荷重を初期の２Ｎから１５Ｎに増圧して変形成形を行う。
更に、図示しないが、成形開始時点より１．０秒後と１．２秒後において、同様の変化速度Ｖを求め、その結果、２つめの基準値Ｖ₀₂＝２．０ｍｍ／ｓｅｃよりも小さい場合は、成形工程部１９の上下伝熱板１０，１１の制御温度をプラス１０℃分変更制御し、また、大きい場合はマイナス１０℃分変更制御を行う。

なお、本実施の形態で用いた成形素材５は、球状直径φ４ｍｍ、成形外径５ｍｍの光学ガラス（ＯＨＡＲＡ製）Ｓ−ＬＡＨ５８である。また、ポリエチレン、ポリカーボネイトについては、その材料の温度・粘度特性から、別途設定して同様の方法を実施することが可能である。

本実施の形態によれば、加熱完了後で成形工程部１９に型セット１を搬送し、押圧変形を開始した段階で、成形素材５の硬さが硬すぎて変化速度Ｖが十分得られない場合は、制御温度を上げて硬化速度を緩和することで以後の変化速度Ｖの低下を抑制することができる。一方、成形素材５の硬さが柔らかすぎて変化速度Ｖが速すぎる場合は、制御温度を下げて硬化速度を早めることで、以後の変化速度Ｖの低下を促進することができる。

すなわち、本実施の形態によれば、成形時間がみだりに早くなったり遅くなったりすることを防止することができると共に、最終肉厚まで変形成形できなかったり、成形素材５の粘度の不適正による転写精度の低下を防止することができる。これにより、成形素材５や装置状態のばらつきに起因する成形品質への不具合を抑制することができる。

なお、上述した実施の形態の、フィードバックの分解能と回数については、適宜レンズの大きさや装置の仕様と環境によって自由に設定すれば、より適正な効果を得ることができる。また、変更された制御温度は、次の成形品の成形時における基準温度とすることで、連続的に同一部品の成形を行う場合は、次第に条件が適正化されるという利点を有する。

本発明の第１の実施の形態である成形方法を実施する成形装置の構成の一例を示す概念図である。 本発明の第１の実施の形態である成形装置の一部を取り出して示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態である成形装置に供される型セットの構成の一例を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態である成形方法および成形装置の作用の一例を示す線図である。 本発明の第１の実施の形態である成形方法および成形装置の作用の一例を示す線図である。 本発明の第２の実施の形態の成形装置を示す図である。 （ａ）は、成形工程部における成形温度と成形時間との関係を示す図であり、（ｂ）は、押込み量（成形量）と成形時間との関係を示す図である。 本発明の第３の実施の形態の成形装置を示す図である。 （ａ）は、成形工程部におけるロッド部の高さ位置と成形時間との関係を示す図であり、（ｂ）は、制御温度と成形時間との関係を示す図である。

符号の説明

１ 型セット
２ 上型
２ａ 成形面
３ 下型
３ａ 成形面
４ スリーブ
５ 成形素材
６ 成形装置
７ 成形室
８ 上伝熱板
９ 下伝熱板
１０ 上伝熱板
１１ 下伝熱板
１２ 上伝熱板
１３ 下伝熱板
１５ エアシリンダ
１６ エアシリンダ
１６ａ ロッド部
１７ エアシリンダ
１８ 加熱工程部
１９ 成形工程部
２０ 冷却工程部
２２ 内部ヒータ
２３ 伝熱体
２４ 温度調節器
２５ 温度調節器
２６ 温度調節器
２７ 温度調節器
２８ 温度調節器
２９ 温度調節器
３０ 動作制御盤
３５ 移動アーム
４０ 検知片
４１ センサ
４２ 制御部
４６ 高さ監視部
５１ 速度監視部
Ｔ０ 成形素材温度
Ｔ１ 加熱工程温度
Ｔ２ 成形工程温度
Ｔ３ 冷却工程温度
ＴＨ 成形上限温度
ＴＬ 成形下限温度
Ｔｃｅ 冷却終期温度
Ｔｃｓ 冷却初期温度
Ｔｍｅ 成形終期温度
Ｔｍｓ 成形初期温度
Ｔｇ 転移点
Ａｔ 屈伏点
Ｆ 荷重

Claims (6)

1. 成形素材を挟んで対向する一対の成形型および前記成形型が挿嵌されるスリーブを含む型セットを、各々が互いに異なる温度に設定された加熱工程、成形工程、および冷却工程を順に移動せしめつつ前記成形素材を成形する光学素子の成形方法であって、
   前記成形工程および前記冷却工程のうちの少なくとも一つは、前記型セットを一対の熱伝導体で挟持してから解放するまでの過程で、前記熱伝導体の設定温度を、高温側から低温側へと減少方向に変化させる変化工程を有する、光学素子の成形方法。
2. 請求項１記載の光学素子の成形方法において、
   前記成形工程は、前記変化工程を有する、光学素子の成形方法。
3. 請求項１又は２記載の光学素子の成形方法において、
   前記成形工程では、前記型セットの前記成形型に対する荷重を漸増させる、光学素子の成形方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか記載の光学素子の成形方法において、
   前記熱伝導体の設定温度は、前記型セットの解放後に、初期設定温度に復帰させられる、光学素子の成形方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか記載の光学素子の成形方法において、
   前記成形工程では、前記型セットの押圧成形を開始した後、前記一対の成形型の型間距離が所定値に達した時点から前記変化工程を開始する、光学素子の成形方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか記載の光学素子の成形方法において、
   前記成形工程では、前記型セットの押圧成形を開始した後、前記一対の成形型の型間距離の変化速度を検出して、前記変化速度が所定の速度よりも遅いときは前記熱伝導体の温度を上昇させ、速いときは前記熱伝導体の温度を下降させる、光学素子の成形方法。