JP4629017B2 - 光学素子の成形方法及びその成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス等の光学素子素材を加圧成形する光学素子の成形方法及びその成形装置に関する。

従来から、プリフォームをプレス成形してガラスレンズを得ることが行われているが、成形素材としてのプリフォームの大きさや成形型への載置位置のバラツキにより、製品としてのガラスレンズの中肉（光軸中心の肉厚）及び外径形状を所望の寸法に制御することが困難であった。

これを解決するために、例えば特許文献１の技術が提案されている。この技術では、プレス成形時のプレス軸に加わる成形負荷に応じてプレス速度を制御し、安定したガラスレンズのプレス成形を行うというものである。

また、特許文献２には、プレス軸の移動速度に着目し、所定圧力で成形を開始した後に、プレス軸の移動速度が予め設定された速度以下となった時点で、成形圧力を変化させ、その圧力で所定時間保持して成形品を得る旨が記載されている。
特許第３１７７７５４号公報 特開２００６−９６５７９号公報

しかしながら、特許文献１では、プリフォームが、金型のキャビティに完全充填された状態で加圧されるために、僅かにプリフォームとキャビティとの間に自由面を残した成形が困難であった。そして、この自由面を残さないで成形すると、成形品に割れや欠けが発生するおそれがあった。

また、特許文献２では、プレス軸の移動速度を監視して成形圧力を変化させているが、移動速度を監視するのみでは、成形型にプリフォームを載置するときの位置のバラツキ等により、所望の形状及び肉厚の成形品を得ることができない場合があった。

本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、加圧成形中のプレス軸の加速度を監視しながらプレス圧力を変化させて成形する光学素子の成形方法及びその成形装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
プレス軸を移動させて光学素子素材を加圧成形する光学素子の成形方法において、
加圧成形中の前記プレス軸の加速度を監視してプレス圧力を変化させる
ことを特徴とする光学素子の成形方法。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光学素子の成形方法において、
前記プレス軸の加速度の他に、前記プレス軸の加圧方向の位置又は移動速度の少なくとも一方を監視することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光学素子の成形方法において、
前記プレス軸の加速度が所定値になったときにプレス圧力を変化させることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１又は２に記載の光学素子の成形方法において、
前記プレス軸の加速度が所定値になったときに成形温度を変化させることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子の成形方法において、
前記光学素子素材を、対向する上型と下型、及びこれらを摺動自在に嵌挿するスリーブで囲まれた密閉空間に収容して加圧することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子の成形方法において、
成形される成形品形状は、凹レンズ形状、メニスカスレンズ形状、又は凸レンズ形状のいずれかであることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、
プレス軸を移動させて光学素子素材を加圧成形する光学素子の成形装置において、
前記プレス軸の加圧成形中の加速度を監視する加速度検知手段と、
前記プレス軸が所定の加速度となったときにプレス圧力を変化させる制御手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、加圧成形中のプレス軸の加速度を監視してプレス圧力を変化させることで、安定した中肉及び外形形状を有する成形品を得ることができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
（成形装置の構成説明）
図１は、本実施形態における光学素子の成形装置の概略図であり、成形開始前の状態を示している。

この成形装置１０は、対向する１対の成形型としての上型１２、下型１４、及びスリーブ（胴型）１５、該上型１２及び下型１４を加熱する加熱手段としての上伝熱板１６及び下伝熱板１８を有し、これらが成形室１１内に収容されている。また、上型１２及び下型１４を対向方向に相対移動させる加圧手段としての不図示のエアシリンダを備えている。

上型１２及び下型１４は、スリーブ１５の内部で、夫々の成形面１２ａ、１４ａが対向するようにスリーブ１５の両端側から嵌挿されている。上型１２は、スリーブ１５の軸方向に摺動自在となっている。上型１２の成形面１２ａと下型１４の成形面１４ａとの間には、光学素子素材としてのプリフォーム２２が配置されている。

上伝熱板１６及び下伝熱板１８には、それぞれヒータ２４，２６が埋設されている。また、プレス軸２８の中間部にはロードセル（荷重検出器）３０が配置されている。更に、この成形装置１０は、上型１２及び下型１４の温度を感知する温度センサ３２、３３と、プレス圧力を検知する圧力センサ３４、及びプレス軸２８の位置を感知する位置センサ３６、加速度を検知する加速度検知手段としての加速度センサ３８を備えている。

これらの各種センサ等は、制御手段としての制御部２０に接続されている。なお、加速度センサ３８は、位置センサ３６と経過時間をモニタする不図示のタイマから、制御部２０にて演算処理して加速度を求める手段で代用することもできる。

成形時には、不図示のエアシリンダによりプレス軸２８を移動させ、上伝熱板１６を介して上型１２を昇降動作させることにより、プリフォーム２２を加圧して成形動作が行われる。

また、上型１２及び下型１４はタングステンカーバイド（ＷＣ）等の超硬合金を研磨して製造されている。プリフォーム２２は、例えば円柱状又は球形状（ボール状）の市販の光学ガラスを用いている。なお、このプリフォーム２２の材質として、光学ガラスの他に、例えば合成樹脂その他の熱可塑性材料であっても良い。

この成形装置１０を用いて光学素子を成形するには、まず、スリーブ１５の中に下型１４をセットし、下型１４の成形面１４ａ上にプリフォーム２２を載置する。次に、このスリーブ１５の中に上型１２を摺動可能な状態で配置する。これら上型１２、下型１４、及びスリーブ１５を成形室１１内にセットし、ヒータ２４，２６によって上型１２、下型１４、スリーブ１５、及びプリフォーム２２を成形可能な温度まで加熱する。

その後、エアシリンダを作動させ、プレス軸２８を下降させて上型１２を所定の圧力にて加圧することでプリフォーム２２の成形を行う。これにより、プリフォーム２２は上型１２及び下型１４の成形面１２ａ、１４ａとスリーブ１５にて形成される密閉空間としてのキャビティ内で変形される。こうして、プリフォーム２２は、上型１２と下型１４の成形面（光学転写面）１２ａ、１４ａ及びスリーブ１５の内径側面が一部分転写され、所望の形状の光学素子が成形される。

このときの、成形条件（温度、プレス圧力、保持時間、プレス軸速度・加速度、成形終了位置等）は、成形する光学素子の形状やプリフォーム２２の材質（硝種）、及び形状等により変わるため、最適な成形条件を得るためにテスト成形を行う。その際に、プレス軸２８の加速度を含む物理量（位置、移動速度）と光学素子の肉厚の相関関係をモニタしておく。
（成形方法の第１の実施の形態）
図２（ａ）〜（ｆ）は、本実施形態における成形時のプリフォーム２２の変形状態を模式的に示す図である。また、図３、図４、及び図５は、それぞれ成形時のプレス軸２８の位置、速度、加速度と、成形時間との関係を示す図である。

更に、図３〜図５に記載した（ａ）〜（ｆ）の符号は、図２（ａ）〜（ｆ）に示したプレス軸２８の位置に対応する。なお、本実施形態では、成形品を凹レンズ形状とした場合を例として説明する。

図２（ａ）は、成形開始時の成形型の状態であり、プリフォーム２２は加熱されて軟化した状態にある。この状態から、成形を開始し上型１２を下降させる。すると、上型１２の成形面１２ａにより徐々にプリフォーム２２が変形し始める（図２（ｂ））。このとき、図１で示したプレス軸２８は徐々に下降し（図３のＡ〜Ｂ点参照）、プリフォーム２２の変形に伴いその抵抗によりプレス軸２８の速度（図４のＡ〜Ｂ点参照）は徐々に遅くなっていく。

そして、図２（ｃ）に示すように、プリフォーム２２が上型１２の成形面１２ａの平面部１２ａ’に接触し始めると（図３のＣ点参照）、更なる変形のために接触抵抗は大きくなる。このため、プレス軸２８の速度（図４のＣ点参照）はより小さいものとなる。このとき、プレス軸２８の加速度（図５のＣ点参照）に着目すると、プレス軸２８の速度の変化が大きいほど顕著なピークが見られる。

同様に、図２（ｄ）に示すように、プリフォーム２２の変形がスリーブ１５の内側面に達したときや、図２（ｅ）に示すように、キャビティ内がプリフォーム２２で完全充填されたときにおいても、接触抵抗は大きくなってプレス軸２８の速度変化が起こり（図４のＤ点、Ｅ点参照）、加速度にピークが認められる（図５のＤ点、Ｅ点参照）。

この加速度のピーク（図５のＥ点参照）を検出した時点で、プレス圧力を面形状を維持するに必要十分なプレス圧力まで変化（低下）させる。この図５のＥ点が、プレス軸２８の加圧停止点である。また、これと同時に上型１２及び下型１４の冷却を開始する。なお、更にプリフォーム２２を、図２（ｆ）にまで加圧すると、割れや欠けが発生して不良品となるおそれがある。

冷却時には、上型１２及び下型１４をガラス転移点以下の取出し温度まで冷却した後、プレス軸２８を上昇させる。そして、上型１２をスリーブ１５より取り外して成形終了した成形品としての光学レンズを取出す。その後、つぎのプリフォーム２２を下型１４の成形面１４ａ上にセットし、連続して成形を行う。

以上のように、図５のＥ点がプレス軸２８の加圧停止点である。このプレス軸２８の加圧停止点は、例えば図４のプレス軸２８の速度の変化点と、図５のプレス軸２８の加速度のピーク点（Ｅ点）とを監視することで正確に決定することができる。

これに対し、若しも従来のように、プレス軸２８の速度のみでプレス軸２８の加圧停止点を決定しようとして、図４のＥ点に設定しようとしても、プレス軸２８の速度変動等でΔＶのバラツキが生じ（図４のＥ点参照）、これにより製品の肉厚にΔＳのバラツキが生じたり、形状の安定性に欠ける（図３のＥ点参照）。

なお、本実施形態では、凹レンズ形状の光学レンズの成形を例として説明したが、これに限らず、例えばメニスカスレンズ形状の光学レンズでも良い。また、本実施形態では、プレス軸２８の加速度が所定値になったときにプレス圧力を変化させる場合について説明したが、これに限らず、例えばプレス軸２８の加速度が所定値になったときに成形温度（ヒータ２４，２６の温度）を変化（冷却）させるようにしても良い。

本実施形態のように、プレス軸２８の加速度にピークが認められた点でプレス圧力を変化（低下）させることで、安定した中肉（光軸中心の肉厚）及び外形形状を有する成形品を得ることができる。好ましくは、プレス軸２８の速度と加速度の双方を監視して、それぞれのピークを見つけることで成形品の安定性が向上する。
（成形方法の変形例）
図６（ａ）〜（ｆ）は、本変形例における成形時のプリフォームの変形状態を模式的に示す図である。また、図７、図８、及び図９は、それぞれ成形時のプレス軸の位置、速度、加速度と、成形時間との関係を示す図である。

更に、図７〜図９に記載した（ａ）〜（ｆ）の符号は、図６（ａ）〜（ｆ）に示したプレス軸２８の位置に対応する。なお、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には、同一の符号を付してその説明を省略する。

第１の実施形態では、プリフォーム２２が下型１４の略中心に理想的に配置された場合について説明したが、本変形例では、プリフォーム２２の中心Ｏ’−Ｏ’が成形型の中心Ｏ−Ｏからずれて（距離λ）配置された場合について説明する。また、成形方法については第１の実施形態と同様であるので、その説明は省略する。

第１の実施形態とこの変形例を比較すると、変形例では、プリフォーム２２がスリーブ１５の内径側面への片当りによりプレス軸２８の速度が複雑に変化する。例えば、図８に示すように、第１の実施形態と異なりＰ点やＱ点にも変曲点が表れている。これに伴い、図９に示すように、プレス軸２８の加速度も複雑に変化していることがわかる。本変形例では、Ｑ点が目標の加圧停止点である。

このことを利用して、プリフォーム２２が下型１４の略中心に置かれていたかどうかも判定することができる。なお、更に図６（ｆ）にまで加圧すると、割れや欠けが発生して不良品となるおそれがある。

本変形例によると、図９に示すように、プレス軸２８の加速度の変化点（ピーク点）は、再現性が良く表れるため、制御誤差をも抑えることができる。そして、プレス軸２８の速度及び加速度の変化点を監視することで、結果として成形品の肉厚、形状の安定性が高くなる。

これに対し、例えば従来のようにプレス軸２８の速度のみに着目して、プレス圧力の制御を行う方法では、図８に示すように、成形終了時（図８のＱ点）の速度は非常に小さく、速度変化も非常に小さいため、測定誤差やプリフォームの体積バラツキ等の影響により制御誤差が大きく、成形品の肉厚、形状の安定性に欠ける。
（成形方法の第２の実施の形態）
図１０（ａ）〜（ｆ）は、本実施形態における成形時のプリフォームの変形状態を模式的に示す図である。また、図１１、図１２、及び図１３は、それぞれ成形時のプレス軸の位置、速度、加速度と、成形時間との関係を示す図である。

更に、図１１〜図１３に記載した（ａ）〜（ｆ）の符号は、図１０（ａ）〜（ｆ）に示したプレス軸２８の位置に対応する。なお、第１の実施の形態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。

この実施形態では、成形品が両凸レンズ形状である点が第１の実施形態と相違している。
図１０（ａ）は、成形開始時の成形型の状態であり、プリフォーム２２は加熱されて軟化した状態にある。この状態から、成形を開始し上型１２を下降させる。すると、上型１２の成形面１２ａにより徐々にプリフォーム２２が変形し始める（図１０（ｂ））。このとき、図１で示したプレス軸２８は徐々に下降し（図１１のＡ〜Ｂ点参照）、プリフォーム２２の変形に伴いその抵抗によりプレス軸２８の速度（図１２のＡ〜Ｂ点参照）は徐々に遅くなっていく。

そして、図１０（ｃ）に示すように、プリフォーム２２の変形がコバ部（周辺部）にかかると（図１１のＣ点参照）、更なる変形のために接触抵抗は大きくなる。このため、プレス軸２８の速度（図１２のＣ点参照）はより小さいものとなる。このとき、プレス軸２８の加速度（図１３のＣ点参照）に着目すると、プレス軸２８の速度の変化が大きいほど顕著なピークが見られる。

同様に、図１０（ｄ）に示すように、プリフォーム２２の変形がスリーブ１５の内側面に達したときや、図１０（ｅ）に示すように、キャビティ内がプリフォーム２２で完全充填されたときにおいても、接触抵抗は大きくなってプレス軸２８の速度変化が起こり（図１２のＤ点、Ｅ点参照）、加速度にピークが認められる（図１３のＤ点、Ｅ点参照）。

ところで、本実施形態のように、成形品が両凸レンズ形状の場合には、両凹レンズ形状やメニスカスレンズ形状の場合に比べてプレス軸２８の速度の変化は小さい。このため、加速度のピークを見つけるのも難しく、両凹レンズ形状等の場合に比してより高い測定精度が求められる。

しかし、本実施形態においても、例えば速度の変化点と加速度のピークを検出した時点で、プレス圧力を面形状を維持するに必要十分なプレス圧力まで変化（低下）させる。また、これと同時に上型１２及び下型１４の冷却を開始する。

なお、図１０（ｆ）にまで加圧すると、成形品に割れや欠けが発生して不良品となるおそれがある。
冷却時には、上型１２及び下型１４をガラス転移点以下の取出し温度まで冷却した後、プレス軸２８を上昇させる。そして、上型１２をスリーブ１５より取り外して成形終了した成形品としての光学レンズを取出す。その後、次のプリフォーム２２を下型１４の成形面１４ａ上にセットし、連続して成形を行う。

本実施形態のように、成形品が両凸レンズ形状の場合には、プレス軸２８の速度の変化は小さいため、プレス軸２８の加速度の変化も小さいが、高精度の測定を行うことにより加速度のピークが認められた点でプレス圧力を変化（低下）させる。こうすることで、成形品の肉厚及び形状を安定化することができる。また、好ましくは、プレス軸２８の速度と加速度の双方を監視して、それぞれのピークを見つけると安定性が更に向上する。

本実施形態における光学素子の成形装置の概略を示す図である。 （ａ）〜（ｆ）は、第１の実施形態におけるプリフォームの変形状態を模式的に示す図である。 成形時のプレス軸の位置と成形時間との関係を示す図である。 成形時のプレス軸の速度と成形時間との関係を示す図である。 成形時のプレス軸の加速度と成形時間との関係を示す図である。 （ａ）〜（ｆ）は、変形例におけるプリフォームの変形状態を模式的に示す図である。 成形時のプレス軸の位置と成形時間との関係を示す図である。 成形時のプレス軸の速度と成形時間との関係を示す図である。 成形時のプレス軸の加速度と成形時間との関係を示す図である。 （ａ）〜（ｆ）は、第２の実施形態におけるプリフォームの変形状態を模式的に示す図である。 成形時のプレス軸の位置と成形時間との関係を示す図である。 成形時のプレス軸の速度と成形時間との関係を示す図である。 成形時のプレス軸の加速度と成形時間との関係を示す図である。

符号の説明

１０ 光学素子の成形装置
１１ 成形室
１２ 上型
１２ａ 成形面
１４ 下型
１４ａ 成形面
１５ スリーブ
１６ 上伝熱板
１８ 下伝熱板
２０ 制御部
２２ プリフォーム
２４ ヒータ
２６ ヒータ
２８ プレス軸
３０ ロードセル
３２ 温度センサ
３３ 温度センサ
３４ 圧力センサ
３６ 位置センサ
３８ 加速度センサ

Claims (7)

1. プレス軸を移動させて光学素子素材を加圧成形する光学素子の成形方法において、
   加圧成形中の前記プレス軸の加速度を監視してプレス圧力を変化させる
   ことを特徴とする光学素子の成形方法。
2. 前記プレス軸の加速度の他に、前記プレス軸の加圧方向の位置又は移動速度の少なくとも一方を監視する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形方法。
3. 前記プレス軸の加速度が所定値になったときにプレス圧力を変化させる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子の成形方法。
4. 前記プレス軸の加速度が所定値になったときに成形温度を変化させる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子の成形方法。
5. 前記光学素子素材を、対向する上型と下型、及びこれらを摺動自在に嵌挿するスリーブで囲まれた密閉空間に収容して加圧する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子の成形方法。
6. 成形される成形品形状は、凹レンズ形状、メニスカスレンズ形状、又は凸レンズ形状のいずれかである
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子の成形方法。
7. プレス軸を移動させて光学素子素材を加圧成形する光学素子の成形装置において、
   前記プレス軸の加圧成形中の加速度を監視する加速度検知手段と、
   前記プレス軸が所定の加速度となったときにプレス圧力を変化させる制御手段と、を備えている
   ことを特徴とする光学素子の成形装置。

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