JP4612801B2 - 金型および複合光学素子の製造方法ならびに複合光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス部と樹脂部とからなる複合光学素子を製造するための金型およびこの金型を用いて複合光学素子を製造する方法およびこれにより製造される複合光学素子に関する。

光学素子の製造方法として、ガラスの研削加工や研磨によるもの，金型を用いた精密プレス成形，熱可塑性樹脂の射出成形や圧縮成形などが知られており、製造される光学素子の機能やコストあるいは要求精度などに応じて最適な方法が適宜使い分けされる。例えば、カメラなどの撮像系レンズに対しては、温度や湿度の環境変化による性能劣化が少なく、経済的にも有利なガラスの研削加工や研磨加工が採用され、特に非球面レンズの場合には金型を用いたガラスの精密プレス成形も採用される。また、ファインダーの光学系に関しては、撮像系レンズのような優れた結像性能が必要ではないので、コスト面から樹脂の射出成形を採用する場合が多い。

一方、光学的有効径が３０mm以上の非球面レンズや、フレネルレンズや回折格子などのような表面に微細な凹凸形状を持った光学素子を製造する場合、ガラスと樹脂とを一体的に接合した複合タイプのものが採用される。その理由は、大きな非球面レンズや微細な凹凸形状を有する光学素子をガラスの精密プレス成形によって製造すると、形状精度を高く維持することが困難であり、精度を確保しようとすると、成形時間を長くしなければならず、コスト高になってしまい、特に微細な凹凸形状を有する光学素子の場合には、離型時に凹凸部が破損してしまう可能性が高いことと、逆に大きな非球面レンズや微細な凹凸形状を有する光学素子を樹脂のみで製造した場合には、環境変動に伴う性能劣化が大きく発生する欠点を有するためである。この複合タイプの光学素子は、いわゆるレプリカ法と称される方法にて製造され、金型に形成された微細な凹凸形状に対応する成形面に液状の樹脂を滴下し、予め所定形状に研磨したガラスをこの液状樹脂の上に重ね合わせ、この状態にて樹脂を硬化処理してガラスと一体化させ、これを金型から剥離することにより、樹脂部の表面に微細な凹凸形状が転写された複合光学素子を得ることができる。

上述したレプリカ法によって複合光学素子の樹脂部を金型の成形面から離型する方法としては、特許文献１に記載されているように、金型外周に形成された非光学機能部分に低密着処理を施して樹脂のヒケを誘導したり、特許文献２に記載されているように、金型外周の非光学機能部分に粗面を形成したり、特許文献３に記載されているように、離型時にガラス部に偏芯加重部材を当接させたり、特許文献４に記載されているように、金型外周の非光学機能部分に樹脂部の外縁に続く離型用溝を設けることが提案されている。

特開２００２−０９６３３８号公報 特開２０００−２０６３１３号公報 特開平０７−２２７９１６号公報 特開平１１−３３３８６２号公報

樹脂部とガラス部とからなる複合光学素子をレプリカ法で製造する場合、離型時に大きな離型力や衝撃力が作用すると、樹脂部が金型の成形面ではなく、ガラス部から剥離してしまったり、樹脂部の光学面が変形したり、樹脂部の光学面に多数の凹凸を連続的に有するものでは、この凹凸部分が破損してしまったりする。この離型性は、形状精度に対する悪影響のみならず、生産タクト（成形時間）や金型の耐久性などの点から、コストにも大きく影響することが知られている。

特許文献１や特許文献２に開示された技術は、金型外周の非光学機能面全周に亙って特殊な処理や加工が必要であり、金型のメンテナンスなどが煩雑となる上、成形品の外観に問題が生ずる場合がある。

また、特許文献３や特許文献４に開示された技術は、離型時に外部から離型を補助するための外力を与える必要があり、成型装置が大型かつ複雑化する上に金型および成形品の形状が制約を受ける可能性が高いなどの不具合がある。

本発明の第１の形態は、第１の光学面およびこの第１の光学面の反対側に位置する接合光学面が形成されたガラス部と、このガラス部の前記接合光学面に対して一体的に接合される接合面およびこの接合面の反対側に位置する第２の光学面が形成された樹脂部とからなる複合光学素子の樹脂部を成形するための成形面を具えた金型であって、前記第２の光学面の有効領域外となる前記樹脂部の最外縁部の周方向に沿った一部と対向するように前記成形面から突出してこの最外縁部の一部を成形する突起部が設けられ、この突起部が前記成形面の一部に貼付される樹脂シートであることを特徴とするものである。

本発明においては、ガラス部の最外縁部を把持して成形された樹脂部を金型から離型する場合、突起部に対応した樹脂部の最外縁部の一部の肉厚が薄くなっているため、この樹脂部の肉厚が薄い部分から金型の成形面に対して剥離し始めることとなる。

本発明による金型において、第２の光学面が多数の凹凸を連続的に有するものであってよい。

樹脂シートの表面に離型剤を塗布することができる。

突起部を成形面の周方向に沿って等間隔に２つ以上設けることも可能である。

本発明の第２の形態は、本発明の第１の形態による金型を用いて複合光学素子を製造する方法であって、前記金型の成形面に液状の樹脂を所定量滴下するステップと、ガラス部の光学面の有効領域外にて当該ガラス部を保持し、このガラス部の接合光学面が前記液状の樹脂に接触するように、前記金型の成形面に対して前記ガラス部の相対位置を規定するステップと、前記液状の樹脂に硬化エネルギーを与えてこれを硬化させると共に前記ガラス部の接合光学面に対して一体的に接合させるステップと、前記金型から前記ガラス部を引き離し、前記金型の成形面から成形された樹脂部を離型するステップとを具えたことを特徴とするものである。

本発明においては、ガラス部の光学面の有効領域外にてガラス部を保持し、金型からガラス部を引き離し、金型の成形面から成形された樹脂部を離型する際に、金型の成形面に形成された突起部に対応した樹脂部の最外縁部の一部の肉厚が薄くなった部分から樹脂部が剥離し始める。

本発明の第２の形態による複合光学素子の製造方法において、金型からガラス部を引き離すステップが、複合光学素子の光軸と平行にガラス部を移動することによって行うものであってよい。

本発明の第３の形態は、本発明の第２の形態による方法によって製造され、第１の光学面およびこの第１の光学面の反対側に位置する接合光学面が形成されたガラス部と、このガラス部の前記接合光学面に対して一体的に接合される接合面およびこの接合面の反対側に位置して多数の凹凸を連続的に有する第２の光学面が形成された樹脂部とを具えたことを特徴とする複合光学素子にある。

本発明の金型によると、第２の光学面の有効領域外となる樹脂部の最外縁部の周方向に沿った一部と対向するように金型の成形面から突出してこの最外縁部の一部を成形する突起部を設け、当該突起部が成形面の一部に貼付される樹脂シートであるので、ガラス部の最外縁部を把持して成形された樹脂部を金型から離型する場合、突起部に対応した樹脂部の最外縁部の一部の肉厚が薄くなっているため、従来のものよりも小さな剥離力にて樹脂部の肉厚が薄い部分から金型の成形面に対して剥離させ始めることができる。しかも、機械加工によって金型に突起部を形成する必要がなくなり、極めて容易に突起部を金型の成形面に形成することができ、従来の金型であっても本発明を容易に実現可能となる。

突起部の表面に離型剤を塗布した場合、樹脂部の肉厚が薄い部分からより確実に金型の成形面に対して剥離させ始めることが可能であり、剥離の際の樹脂部の変形を極力緩和することができる。

突起部を成形面の周方向に沿って等間隔に２つ以上設けた場合、金型の成形面から樹脂部が剥離し始める部分を複数箇所に設定することができ、離型時における樹脂部の弾性変形をより少なくすることができる。

本発明の複合光学素子の製造方法によると、上述した本発明の金型を用いているので、この金型からガラス部を引き離し、金型の成形面から成形された樹脂部を離型する際に、突起部に対応した樹脂部の最外縁部の一部の肉厚が薄くなっているため、従来のものよりも小さな剥離力にてこの樹脂部の肉厚が薄い部分から金型の成形面に対して剥離させ始めることができる。

複合光学素子の光軸と平行にガラス部を移動することによって、金型からガラス部を引き離すようにした場合、離型時における樹脂部の弾性変形をより少なくすることができる。

本発明の複合光学素子によると、上述した本発明の方法により複合光学素子を製造するようにしたので、樹脂部の多数の凹凸を連続的に有する第２の光学面を成形することができる。

本発明による実施形態について、図１および図２を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限らず、これらをさらに組み合わせたり、特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の技術にも当然応用することができる。

図１に示す第１の実施形態は、光学平面１１ａ，１１ｂが両面に形成された平行平板のガラス部１１と、フレネル凹レンズ面１２ａを持った樹脂部１２とからなる円形の複合光学素子１０に関するものであり、樹脂部１２が接合されるガラス部１１の光学平面１１ｂが本発明における接合光学面となり、フレネル凹レンズ面１２ａと反対側でガラス部１１の接合光学面１１ｂに接する樹脂部１２の表面が本発明における樹脂部１２の接合面１２ｂとなる。従って、ガラス部１１の光学平面１１ａが本発明における第１の光学面に相当する。本実施形態における樹脂部１２は、３６５nm付近をピークとする波長の紫外線を照射することによって重合、つまり硬化が始まる紫外線硬化型樹脂にて形成されているが、これ以外の何らかの硬化エネルギーを与えることによって硬化する樹脂にて樹脂部１２を形成することも可能である。

このような複合光学素子１０を製造するための金型１３には、フレネル凹レンズ面１２ａに対応した成形面、つまりフレネル凸レンズ面１３ａが形成されており、このフレネル凸レンズ面１３ａのさらに外側の非光学機能面の領域の周方向に沿った一部には、突起部１４が形成されている。さらに、この突起部１４の表面には非粘着性の高いフッ素樹脂などの材料にて形成された離型層１４ａが一体的に接合されている。

金型１３を囲む円筒状のガラスホルダ１５は、図示しない駆動手段により図１に示す成形位置と、この成形位置から上方に持ち上がる離型位置との間を金型１３に対して昇降可能となっている。ガラスホルダ１５の上端部には、円板状をなすガラス部１１を金型１３に形成されたフレネル凸レンズ面１３ａの光軸Ｃと合致させるための嵌合部１５ａが形成されており、この嵌合部１５ａにガラス部１１の外周端縁部分が載置されるようになっている。

この複合光学素子１０の製造に際しては、まず金型１３のフレネル凸レンズ面１３ａに所定量の液状をなす紫外線硬化型樹脂１２を滴下した後、両面があらかじめ所定精度の光学平面１１ａ，１１ｂにそれぞれ研磨仕上げされたガラス部１１を離型位置に待機しているガラスホルダ１５の嵌合部１５ａに嵌め込み、ガラスホルダ１５を成形位置に下降させる。このガラスホルダ１５の下降途中からガラス部１１の接合光学面１１ｂに対する紫外線硬化型樹脂１２の表面の接触が始まり、ガラスホルダ１５が成形位置まで下降する間に、ガラス部１１の接合光学面１１ｂのほぼ全域に紫外線硬化型樹脂１２が接触状態となる。

なお、ガラスホルダ１５が成形位置まで下降した時点において、紫外線硬化型樹脂１２の外周端縁が金型１３の突起部１４の表面にも位置するように、金型１３に対する紫外線硬化型樹脂１２の滴下量を適切に設定する必要がある。

この状態において、３６５nm付近の波長領域にて発振のピークを有する高圧水銀ランプや超高圧水銀ランプなどの紫外線源１６を点灯し、紫外線をガラス部１１を介して紫外線硬化型樹脂１２に照射し、これを完全に硬化させる。紫外線硬化型樹脂１２の硬化処理を終えた後、ガラスホルダ１５を離型位置に上昇させ、金型１３のフレネル凸レンズ面１３ａから樹脂部１２を離型させる。本実施形態では、ガラスホルダ１５の上昇に伴って、ガラス部１１を介し樹脂部１２の外周端縁部分に剥離力が作用するが、樹脂部１２の外周端縁部の一部が非粘着性の高い離型層１４ａに位置しているため、この離型層１４ａと接触する樹脂部１２の外周端縁部の一部から剥離が速やかに始まり、この剥離が樹脂部１２の径方向中央に向けて順次進行することとなる。

なお、突起部１４を金型１３の全周ではなく、少なくとも１箇所だけ部分的に形成する必要がある。このようにすることにより、突起部１４の表面に離型層１４ａを形成せずとも、突起部１４と対向する相対的に肉厚が薄くなった部分で樹脂部１２に応力集中が起こるため、この突起部１４に重なる部分から樹脂部１２を容易に剥離させ始めることができる。もちろん、離型層１４ａをその表面に形成した方がより離型性を高めることができることは言うまでもない。

上述した実施形態では、樹脂部１２の光学機能面、つまりフレネル凹レンズ面１２ａの外側の非光学機能面に対応した金型１３の外周縁部の一部に突起部１４を形成し、この突起部１４の表面に離型層１４ａを一体的に接合したが、従来からある金型を機械加工などの特別な加工を施すことなく、本発明に適用させることが可能である。

図２に示す第２の実施形態は、このような従来の金型を転用したものであり、接合光学面１１ｃが凸面となったガラス部１１と、フレネル凸レンズ面１２ｃが形成された樹脂部１２とからなる複合光学素子１０を得るためのものであるが、先の実施形態と同一機能の要素にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略するものとする。すなわち、この金型１３には、樹脂部１２のフレネル凸レンズ面１２ｃに対応した成形面、つまりフレネル凹レンズ面１３ｃが形成されており、このフレネル凹レンズ面１３ｃのさらに外側には、液溜め部となる環状の凹部１７が形成され、さらにその周囲には本発明による樹脂シートであるポリイミドシート１８が凹部１７の周方向に沿って等間隔に少なくとも１箇所、本実施形態では３箇所接合され、本発明の突起部を形成している。このポリイミドシート１８の表面には非粘着性に優れたフッ素樹脂などの材料にて形成された離型層１４ａが形成されている。本実施形態においても、樹脂部１２の外周端縁がポリイミドシート１８の表面に位置するように、金型１３とガラス部１１との間に介在する樹脂部１２の体積を適切に設定する必要がある。

ポリイミドシート１８を金型１３の凹部１７の外側の非光学機能面に接合する場合、離型時に発生する剥離力によってポリイミドシート１８が樹脂部１２と共に金型１３から剥離しないように、ポリイミドシート１８と金型１３との間に充分な接合力を与えておくことが必要である。また、本実施形態ではガラス部１１の接合光学面１１ｃが球面となっているため、金型１３を囲む円筒状のガラスホルダ１５の上端にガラス部１１の接合光学面１１ｃを載置した場合、ガラス部１１の自重によってこれが自動的に調心されて金型１３のフレネル凹レンズ面１３ｃの光軸Ｃとガラス部１１の光軸とを正確に合致させることができ、先の実施形態のような調心のための嵌合部１５ａをガラスホルダ１５の上端部に形成する必要はない。

従って、金型１３のフレネル凹レンズ面１３ｃから硬化した樹脂部１２を離型させる場合、本実施形態ではガラスホルダ１５の上昇に伴って、ガラス部１１を介し樹脂部１２のフレネル凸レンズ面１２ｃ側に剥離力が作用する。この時、ポリイミドシート１８とガラス部１１との間に介在する肉厚が薄くなった樹脂部１２の外周端縁に応力集中が起こり、このポリイミドシート１８に重なる部分から樹脂部１２の剥離を速やかに開始させることができる。

本発明による第１の実施形態における複合光学素子の製造概念を表す断面図であり、成形中の状態を表す。 本発明による第２の実施形態における複合光学素子の製造概念を表す断面図であり、離型後の状態を表す。

符号の説明

Ｃ 光軸
１０ 複合光学素子
１１ ガラス部
１１ａ 光学平面（第１の光学面）
１１ｂ 光学平面（接合光学面）
１１ｃ 接合光学面
１２ 樹脂部（紫外線硬化型樹脂）
１２ａ フレネル凹レンズ面
１２ｂ 接合面
１２ｃ フレネル凸レンズ面
１３ 金型
１３ａ フレネル凸レンズ面
１３ｃ フレネル凹レンズ面
１４ 突起部
１４ａ 離型層
１５ ガラスホルダ
１５ａ 嵌合部
１６ 紫外線源
１７ 凹部
１８ ポリイミドシート

Claims (6)

1. 第１の光学面およびこの第１の光学面の反対側に位置する接合光学面が形成されたガラス部と、このガラス部の前記接合光学面に対して一体的に接合される接合面およびこの接合面の反対側に位置する第２の光学面が形成された樹脂部とからなる複合光学素子の樹脂部を成形するための成形面を具えた金型であって、
   前記第２の光学面の有効領域外となる前記樹脂部の最外縁部の周方向に沿った一部と対向するように前記成形面から突出してこの最外縁部の一部を成形する突起部が設けられ、当該突起部が前記成形面の一部に貼付される樹脂シートであることを特徴とする金型。
2. 前記樹脂シートの表面には離型剤が塗布されていることを特徴とする請求項１に記載の金型。
3. 前記突起部は、前記成形面の周方向に沿って等間隔に２つ以上設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金型。
4. 請求項１から請求項３の何れかに記載の金型を用いて複合光学素子を製造する方法であって、
   前記金型の成形面に液状の樹脂を所定量滴下するステップと、
   ガラス部の光学面の有効領域外にて当該ガラス部を保持し、このガラス部の接合光学面が前記液状の樹脂に接触するように、前記金型の成形面に対して前記ガラス部の相対位置を規定するステップと、
   前記液状の樹脂に硬化エネルギーを与えてこれを硬化させると共に前記ガラス部の接合光学面に対して一体的に接合させるステップと、
   前記金型から前記ガラス部を引き離し、前記金型の成形面から成形された樹脂部を離型するステップと
   を具えたことを特徴とする複合光学素子の製造方法。
5. 前記金型から前記ガラス部を引き離すステップは、複合光学素子の光軸と平行に前記ガラス部を移動することによって行うことを特徴とする請求項４に記載の複合光学素子の製造方法。
6. 請求項４または請求項５に記載の方法によって製造され、第１の光学面およびこの第１の光学面の反対側に位置する接合光学面が形成されたガラス部と、このガラス部の前記接合光学面に対して一体的に接合される接合面およびこの接合面の反対側に位置して多数の凹凸を連続的に有する第２の光学面が形成された樹脂部とを具えたことを特徴とする複合光学素子。

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