JP4680738B2 - モールドプレス成形装置及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス等の成形素材を、精密加工を施した成形型によってプレス成形し、光学素子を製造するモールドプレス成形装置及び光学素子の製造方法に関し、特に、成形面に凸面を有する下型に対して、成形素材の供給を行うモールドプレス成形装置及び光学素子の製造方法に関する。

ガラス等の成形素材を、精密加工を施した成形型によってプレス成形し、光学素子を製造するモールドプレス成形装置及び光学素子の製造方法が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。これらは、非球面を有する光学素子の成形に、特に有効である。

特許文献１には、成形型内において、一対の位置決め部材を移動させ、光学素材を挟む形で当接させることによって、光学素材を成形型に対して位置決めする成形方法が記載されている。
特に、両面凹レンズを成形する場合には、凸形状の下型上にガラス素材を載置しなければならず、これを位置がずれたままにすると、下型上からガラス素材が落下する可能性があるため、成形型内において、光学素材に当接して所定位置に位置決めする方法が有効であるとしている。

特許文献２には、ガラスプリフォームの端面を保持手段で保持し、金型から離れた位置に保持して加熱し、その後に保持を解除してプリフォームを加圧する方法が記載されている。これにより、加熱時において、ガラスプリフォームと金型との化学反応が避けられ、また、加圧時には、プリフォームの径方向への流動が保持手段で妨げられるとしている。
特許第３５０１５８０号公報 特開平９−２８６６２２号公報

成形素材(ガラス素材など)を、精密モールドプレスによって成形し、レンズなどの光学素子を成形する場合、対向する成形面をもつ上下一対の成形型間で成形素材を押圧、成形することが一般的である。このとき、予め下型成形面上に成形素材を供給、配置する必要がある。

しかしながら、得ようとする光学素子の形状によっては、下型成形面の中心位置に、成形素材を配置することが必ずしも容易でない。例えば、両凹レンズを成形する場合は、下型の成形面が凸面となるため、成形素材の配置が容易ではない。
これ以外にも、下型成形面の中心に適切な曲率をもった凹面が無い場合（下型成形面中心部分が凸面、又は平面の場合）、成形素材の位置決めは困難である。例えば、図９に示すように、下型上に配置した成形素材が、プレス成形時に位置ずれを生じると、成形される光学素子が偏肉し、形状不良となるとともに、偏肉に起因する荷重印加の不均一によって光学機能面の面精度劣化が生じる。

特許文献１の記載によると、成形型内に光学素材の位置決め部材を配置し、これをラックとピニオンなどの駆動手段によって、基準位置を中心に互いに反対方向に移動させ、光学素材を挟む形で当接、停止させることで、光学素材を成形型に対して位置決めし、プレスの際に成形面が素材に当接するか、その直前に駆動手段によって位置決め部材を退避させている。
この方法によると、成形型内部に位置決め部材を配置することで成形型構造に制約が生じる上、成形型の熱容量が大きくなるために、昇温、降温の温度制御が非効率的である。さらに、ラックとピニオンのような構造体を成形型近傍に配置することは、装置を大型化する上、これら構造体の熱変形による影響などを考慮する必要が生じ、装置設計が著しく複雑化する。

特許文献２には、平板状のプリフォームを、凸面を有する上下型によって加圧成形する図面が開示されている。すなわち、保持リング上端にプリフォームを載置した状態で加熱し、ついで駆動手段によって保持リングを下降させ、プリフォームを下型上に載置し、上下金型によってプリフォームを加圧している。
この方法においては、プリフォームは常に下胴型の内周に接触しているため、下型成形面が凸形状であってもプリフォームの位置ずれは生じにくいとみられる。

しかしながら、プリフォームを保持リング上端に載置するためには、精密に位置あわせを行う必要がある。
したがって、成形素材の載置位置精度を十分に確保できない場合、例えば、成形素材を落下供給する場合や、成形素材の外形が真円でなく長短径差がある場合などには、保持リングの上端に成形素材を載置すること自体が困難になってしまう。

ところで、成形素材を予め予熱し、粘度の下がった状態で成形型に供給する方法が知られている（例えば、特開平９−１３２４１７号公報参照）。
このような場合、成形素材を機械的手段で保持して搬送すると、成形素材との接触のために成形素材に表面欠陥が生じる可能性が避けられないため、成形素材を治具上で噴出するガスにより浮上させ、実質的に非接触の状態で搬送、供給することが最も有利である。

しかしながら、非接触状態の成形素材を成形型へ供給する場合は、成形素材を落下させることが最も有利であるが、成形素材の落下供給位置を厳密に管理することは困難である。すなわち、成形素材を予め予熱し、粘度の下がった状態で成形型に供給する方法を適用する場合には、成形素材の落下位置に多少のずれがあったとしても、その後のプレス成形工程が支障なく行えることが求められる。

また、特許文献２においては、円盤状の形状に加工された成形素材を用いているが、その成形方法については特に記載されていない。このような成形素材はガラスブロックの切断、研磨などの加工（冷間加工）によって得ることができるが、工数が多く煩雑である。

一方、精密モールドプレス用成形素材として、溶融ガラスを受け型上に滴下、又は流下することによって、球、又は両凸曲面形状に予備成形されたもの（熱間成形による成形素材）が知られている。このような素材は、表面欠陥のない曲面に覆われており、プレス成形された光学素子の光学面を形成する上で非常に有利であり、しかも生産効率が極めて高い。また、溶融ガラスの滴下、又は流下する流量を制御すれば、体積精度、形状精度を一定以上に維持することが可能である。

しかしながら、こうして凸曲面によって覆われた成形素材を、凸形状の成形面上に供給し、配置することは容易ではない。成形面上の中央に静止せず、滑り落ち、位置ズレしてしまうからである。特許文献２の保持リングのようなものを用いても、凸曲面をもつ成形素材は水平に載置されるとは限らない。特に、成形素材の外形が真円ではなく、一定範囲で長短径差が生じた場合、特許文献２の成形装置では、成形素材が胴型内にかみこまれる可能性がある。
また、胴型を大きくすることも考えられるが、この場合には、成形素材が偏在して偏肉の原因となるだけでなく、偏在した成形素材の位置修正も困難である。

本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであり、凸面を有する下型上に成形素材を供給するにあたり、成形素材の形状、予備成形方法、供給方法、位置修正方法などに自由度を持たせつつ、下型上で成形素材を支承することができ、その結果、面精度の高い光学素子を効率良く製造することができるモールドプレス成形装置及び光学素子の製造方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため本発明のモールドプレス成形装置は、成形面に凸面を有する下型と、その上方に対向配置される上型とを備え、前記下型上に供給した成形素材を、加熱軟化した状態でプレス成形するモールドプレス成形装置において、前記下型成形面の周囲に、前記成形素材の下面側周辺部を支承する支承部材を設けるとともに、当該支承部材で支承された前記成形素材の周縁部外方の少なくとも一部を開放空間とすることにより、前記成形素材の周縁部の少なくとも一部を自由端にし、前記成形素材をプレス成形する際に、前記上型と前記下型の相対的な接近動作に伴って、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させる構成としてある。
このように構成すれば、凸面を有する下型上に成形素材を供給するにあたり、成形素材の形状、予備成形方法、供給方法、位置修正方法などに自由度を持たせつつ、下型上で成形素材を支承することができる。これにより、成形素材の形状、予備成形方法、供給方法、位置修正方法などを最適化し、面精度の高い光学素子を効率良く製造することができる。

また、本発明のモールドプレス成形装置は、前記成形素材をプレス成形する際に、前記上型と前記下型の相対的な接近動作に伴って、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させる構成としてあるが、このように構成すれば、成形体の下面側に、下型成形面と支承部材の境界段差が転写されることを防止できる。これにより、成形体に角面が転写された場合のように、成形体に内部歪みが生じたり、成形体が割れ易くなるなどの不良を回避し、得られる光学素子の品質を高めることができる。

また、本発明のモールドプレス成形装置は、前記上型と前記下型の相対的な接近動作を、前記成形素材を介して前記支承部材に伝えることによって、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させる構成とすることができる。
このように構成すれば、成形素材を利用して支承部材を退避させることができるので、成形装置の構造を簡略化することができる。

また、本発明のモールドプレス成形装置は、前記上型と前記下型の相対的な接近動作を前記支承部材に伝える連動部材を有し、当該連動部材によって、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させる構成とすることができる。
このように構成すれば、支承部材を確実に退避させることができるだけでなく、成形素材を介して支承部材を退避させる場合に比べ、成形素材に対する影響も抑えることができる。

また、本発明のモールドプレス成形装置は、前記下型上に供給された前記成形素材の周縁部に接触して、前記成形素材の位置を修正する位置修正手段を備える構成とすることができる。
このように構成すれば、成形素材の位置ズレに起因する面不良の発生も抑えることができる。

また、本発明のモールドプレス成形装置は、前記成形素材を前記下型上に落下供給する落下供給手段を備える構成とすることができる。
このように構成すれば、予め予熱した成形素材を下型上に効率良く供給することができる。

また、本発明における光学素子の製造方法は、予備成形された所定体積の成形素材を、成形面に凸面を有する下型と、その上方に対向配置される上型によりプレス成形して得られる光学素子の製造方法において、前記下型上に前記成形素材を供給する際に、前記成形素材の下面側周辺部の少なくとも一部を支承部材で支承するとともに、当該支承部材で支承された前記成形素材の周縁部外方の少なくとも一部に開放空間を確保することにより、前記成形素材の周縁部の少なくとも一部を自由端とし、前記上型と前記下型の相対的な接近動作に伴い、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させて、その後にプレス成形を行う方法としてある。
このような方法にすれば、凸面を有する下型上に成形素材を供給するにあたり、成形素材の形状、予備成形方法、供給方法、位置修正方法などに自由度を持たせつつ、下型上で成形素材を支承することができる。これにより、成形素材の形状、予備成形方法、供給方法、位置修正方法などを最適化し、面精度の高い光学素子を効率良く製造することができる。

また、本発明における光学素子の製造方法は、前記上型と前記下型の相対的な接近動作に伴い、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させて、プレス成形を行う方法としてあるが、このような方法にすれば、成形体の下面側に、下型成形面と支承部材の境界段差が転写されることを防止できる。これにより、成形体に角面が転写された場合のように、成形体に内部歪みが生じたり、成形体が割れ易くなるなどの不良を回避し、得られる光学素子の品質を高めることができる。

また、本発明における光学素子の製造方法は、前記上型と前記下型の相対的な接近動作を、前記成形素材を介して前記支承部材に伝えることによって、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させる方法とすることができる。
このような方法にすれば、成形素材を利用して支承部材を退避させることができるので、成形装置の構造を簡略化することができる。

また、本発明における光学素子の製造方法は、前記上型と前記下型の相対的な接近動作に、前記支承部材を連動させることによって、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させる方法とすることができる。
このような方法にすれば、支承部材を確実に退避させることができるだけでなく、成形素材を介して支承部材を退避させる場合に比べ、成形素材に対する影響も抑えることができる。

また、本発明における光学素子の製造方法は、前記成形素材が、両凸曲面形状に予備成形されたものとすることができる。
このような方法にすれば、支承部材によって成形素材を安定良く支承することができる。

また、本発明における光学素子の製造方法は、前記成形素材が、溶融状態から流下又は滴下することによって予備成形されたガラス素材とすることができる。
このような方法にすれば、表面欠陥のない曲面に覆われたガラス素材が得られるので、プレス成形された光学素子の面精度を向上させることができる。

また、本発明における光学素子の製造方法は、前記成形素材が、ガラス素材であり、１０５．５〜１０９ポアズの粘度に相当する温度に予熱されて、前記下型上に落下供給される方法とすることができる。
このような方法にすれば、型温を相対的に低くすることによって型寿命を伸ばすとともに、成形サイクルタイムを短くでき、さらには、成形するレンズの面精度も向上させることができる。

また、本発明における光学素子の製造方法は、前記成形素材を、前記下型上に落下供給した後、位置修正する方法とすることができる。
このような方法にすれば、成形素材の位置ズレに起因する面不良の発生も抑えることができる。
このとき、本発明における光学素子の製造方法は、前記成形素材の周縁部外方の解放空間を移動する位置修正手段を、前記成形素材の周縁部に接触させることにより、前記成形素材の位置を修正する方法とすることができる。

また、本発明における光学素子の製造方法は、前記成形素材が、光学素子有効径よりも大きい径を有する方法とすることができる。
このような方法にすれば、成形素材を光学有効径外で支承できるので、支承部材との接触による外観不良や面不良の発生を防止できる。

また、本発明における光学素子の製造方法は、前記支承部材が前記成形素材の下面側周辺部を支承した状態で、前記上型の成形面を前記成形素材に当接させた後、前記下型の成形面と前記成形素材を当接させて、前記上型と前記下型を所定間隔まで近接させる方法とすることができる。
このような方法にすれば、上型の成形面が成形素材に当接するまで、成形素材を支承し、成形素材の位置ズレを防止することができる。

また、本発明による製造方法によると前記成形素材を供給する成形型として、上型、下型、該下型の周囲に設けられ前記成形素材の下面側周辺部を支承する筒状の支承部材、及び前記上型と前記下型を嵌入する胴型とを有する成形型を用いる方法としてある。また、前記支承部材として、前記成形素材を支承したときに、前記成形素材と前記下型との間に形成される空間と、前記成形型の外部とを連通する通気孔を形成した支承部材を用いる方法とすることができる。
このような方法にすれば、成形素材と下型との間に形成される空間（成形空間）内の雰囲気ガスを、通気孔を介してスムーズに成形型の外部に排出できるため、残存ガスによる成形体の形状不良を抑止できる。

以上のように、本発明によれば、凸面を有する下型上で成形素材の周辺部を支承するものでありながら、支承した成形素材の周縁部の少なくとも一部を自由端とすることにより、成形素材の形状、予備成形方法、供給方法、位置修正方法などに自由度を持たせ、面精度の高い光学素子を効率良く製造することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

［参考形態］
まず、本発明に係るモールドプレス成形装置（以下、成形装置という）の参考形態について、図１を参照して説明する。
図１は、本発明に係るモールドプレス成形装置の参考形態における要部断面図である。

なお、図示は省略するが、本参考形態の成形装置は、成形装置及び／又は成形素材の加熱に必要な加熱手段及び温度調整機構、プレス成形に必要な荷重調整機構を有する荷重印加軸機構、さらに、成形装置及び／又は成形体の冷却に必要な冷却手段及び温度調整機構を具備している。
また、プレス時には、上型の上端面及び下型の下端面が荷重印加軸機構のプレス成形軸に接触し、荷重が印加される構成となっている。

プレス成形に用いる成形素材ＰＦに特に限定は無いが、ガラスプリフォームなどのガラス素材とすることができる。
ガラス素材としては、ブロック状の光学ガラスを切断、研磨して、円盤状、球形状などに加工（冷間加工）したものや、溶融状態から受け型上に滴下又は流下することによって、球形状、両凸曲面形状などに予備成形（熱間成形）したものを用いることができる。本発明においては、冷間加工した円盤状のガラス素材、又は熱間成形した両凸曲面形状のガラス素材が好ましい。特に、熱間成形による両凸曲面形状のものは生産効率の点から有利である。

成形装置は、任意形状の成形面１１が形成された上型１０と、上型１０を包囲する上胴型２０と、上胴型２０の内周側に設けられる強制離型手段３０と、成形面４１に凸面を有する下型４０と、下型４０を包囲する下リング（支承部材）５０とから構成されている。
なお、本参考形態では、上型１０の成形面径（上型ボス径）を下型４０の成形面径（下型ボス径）より大きくしてあるが、本発明はこれに限定されない。

強制離型手段３０は、上胴型２０の内周に沿って上下動可能な離型部材３１と、離型部材３１を下方に付勢するバネ３２とから構成されている。上胴型２０の内周には段差２０ａが形成してあり、この段差２０ａとの係合によって離型部材３１の下限位置が規定される。強制離型手段３０は、プレス後に上下型を離間させる際、成形体を上型１０の成形面１１から強制的に離型させるためのものであるが、その作用については後述する。

支承部材としての下リング５０は、下型４０を包囲する筒形状を有し、上端部が下型成形面４１よりも上方に突出している。下リング５０の上端部は、下型４０上に成形素材ＰＦが供給されたとき、成形素材ＰＦの下面側周辺部を支承するための形状を有し、成形装置は、下リング５０で支承された成形素材ＰＦの外方に空間を確保する。これにより、下型４０上に供給された成形素材ＰＦを支承しつつ、当該成形素材ＰＦの周縁部を自由端とすることができる。

下リング５０は、成形素材ＰＦの下面側周辺部を支承するために、上端部の内径が成形素材ＰＦの径より所定量小さくしてある。また、本参考形態では、下リング５０の上端部内周に、下方ほど小径になる傾斜面（テーパ部）を形成している。成形素材ＰＦの使用量を過度に増加させないためには、このような傾斜面が有効であり、また、両凸曲面形状の成形素材ＰＦを安定良く支承できる。
なお、本参考形態の下リング５０には、その内外周に通じる通気孔５０ａが形成してある。

次に、参考形態として示す成形装置を用いた光学素子の製造方法について、図２〜図４を参照して説明する。
図２は、参考形態として示した成形装置による光学素子の製造工程を示す説明図、図３（ａ）は、落下供給手段の部分平面図、図３（ｂ）は、落下供給手段のＡ−Ａ断面図、図４（ａ）は、位置修正手段の平面図、図４（ｂ）は、位置修正手段の作用説明図である。

図２（ａ）は、上下型１０、４０が離間した状態を示しており、この状態で両凸曲面形状に予備成形したガラス素材ＰＦを下型４０上に供給する。ガラス素材ＰＦの供給に際しては、任意の搬送治具を用いて、下型４０上にガラス素材ＰＦを搬送し、配置することができる。
このとき、ガラス素材ＰＦは、プレス成形に適した粘度に予め予熱されていることが好ましい。例えば、粘度で１０^５．５〜１０^９ポアズ相当の温度に予熱しておくことが好ましい。また、上下型１０、４０も、例えば、プレス成形の対象とするガラス素材ＰＦの粘度で１０^８〜１０^１２ポアズ相当の所定温度に予熱しておくことが好ましい。さらに、ガラス素材ＰＦの予熱温度は、上下型１０、４０の予熱温度より高いことが好ましい。
このような温度条件を充足すると、成形サイクルタイムが短く、また、成形するレンズの面精度も良好であり、量産上極めて有利である。

ガラス素材ＰＦの搬送、供給方法に特に限定は無い。ただし、ガラス素材ＰＦを上記のように予熱した場合、ガラス素材ＰＦの搬送時に、搬送治具との接触によって表面欠陥が生じることがあるため、ガスによって搬送治具上でガラス素材ＰＦを浮上させ、実質的に治具との非接触状態を維持して搬送、供給することが好ましい。このとき、例えば、図３に示すような落下供給手段６０を用いることができる。

落下供給手段６０は、耐熱性の高い金属（例えば、ステンレス合金）により成形される支持アーム６１と、その先端側に配置される浮上皿６２とから構成されている。浮上皿６２は、すり鉢状の受け部を有し、ここでガラス素材ＰＦが保持される。支持アーム６１内部には、浮上皿６２の受け部に対し、下方から不活性ガスを送るガス孔６１ａが形成されており、このガスの圧力により、ガラス素材ＰＦが浮上皿６２内で僅かに浮上されながら搬送されるようになっている。
支持アーム６１及び浮上皿６２は、その幅方向の中心線において二つに分割されており、図示しない開閉駆動手段によって水平方向（図３において上下方向）に開閉される。つまり、下型４０の上方位置で支持アーム６１及び浮上皿６２を開くことにより、浮上皿６２の受け部で浮上保持されたガラス素材ＰＦが、下型４０上に落下供給される。

図２（ｂ）は、下型４０上にガラス素材ＰＦが供給された状態を示しており、下リング５０の上端が、ガラス素材ＰＦの下面側周辺部を支承している。ここで支承とは、ガラス素材ＰＦが一定の姿勢を維持できるようにすることであり、ガラス素材ＰＦは、下型４０の成形面４１に接触した状態であってもよいし、下型４０の成形面４１に接触せず、下リング５０のみによって支承された状態であっても良い。つまり、本発明において、下型４０の成形面４１上にガラス素材ＰＦを供給するとは、ガラス素材ＰＦが下型４０の成形面４１と非接触である場合も含む。

ガラス素材ＰＦの支承位置（下面側周辺部）は、ガラス素材ＰＦを安定に支承できることと、得ようとする光学素子（レンズ）の光学的有効径外（さらに好ましくは、芯取り径外）であることを考慮して決定され、以下の関係式を充足することが好ましい。例えば、ガラス素材ＰＦの径を２ｒとするとき、支承位置は、ガラス素材ＰＦの中心から０．５〜０．９５ｒの範囲とすることができる。好ましくは、０．７〜０．９５ｒとすることにより、芯取りによるガラス素材の除去率を小さくし、効率的な生産が可能となる。
［数１］
光学的有効径≦光学素子有効径（＝芯取り径）＜下リング内径（支承位置）＜ガラス素材径

下リング５０の支承位置形状は、面取りをしたものでもよく、また、ガラス素材ＰＦの曲面に沿った曲面形状としてもよい。また、支承位置におけるガラス素材ＰＦと下リング５０の接触は、ガラス素材ＰＦの全周に亘ることは必ずしも必要ではなく、周方向に所定の間隔をあけて接触するようにしても良い。
さらに、下リング５０の素材は、ガラスとの融着を生じにくいものが好ましく、耐熱性が高く、かつ熱伝導性の高い超硬合金や炭化珪素などとすることができる。また、適宜、融着防止のためのコーティングを施してもよい。

供給されたガラス素材ＰＦの中心が下型成形面４１の中心と一致していない場合（図２（ｂ）に示す状態）、すなわち位置ずれが生じる場合があるため、ガラス素材ＰＦの位置修正を行うことが好ましい。例えば、図４に示すような位置修正手段７０を用いて、ガラス素材ＰＦと下型成形面４１の中心あわせを行うことができる。

図４に示す位置修正手段７０は、ガイドアーム７１と、その先端側に配置されるガイド部材７２とから構成されている。ガイドアーム７１及びガイド部材７２は、落下供給手段６０と同様に、その幅方向の中心線において二つに分割されており、開閉駆動手段７３によって水平方向（図４において上下方向）に開閉される。ガイド部材７２は、分割可能に形成されており、その内径寸法は、ガラス素材ＰＦの外径とほぼ同等に設定されている。
ガラス素材ＰＦが下型４０上に落下供給された直後は、図２（ｃ）に示すようにガイド部材７２が開状態であり、その後に閉動作される。ガイド部材７２が閉じるとき、図２（ｄ）に示すように、その内周面がガラス素材ＰＦの外周に接触し、ガラス素材ＰＦを下型４０の成形面中心位置へ移動させる。また、位置修正動作後は、ガイド部材７２を開き、下型４０上から退避させる（図２（ｅ））。
なお、退避位置において、位置修正手段７０を予熱しておくと、成形素材ＰＦとの接触時に成形素材ＰＦの熱を散逸しないため好ましい。

下型４０上に供給されたガラス素材ＰＦの周縁部は、装置部材と接触しておらず、自由端として開放されている。すなわち、成形装置において、ガラス素材ＰＦの周縁部の少なくとも一部を自由端として開放する空間が確保されていることにより、落下供給など、供給位置の精度が確保できない場合、あるいは、ガラス素材の形状に不均一がある場合にもガラス素材ＰＦを一定範囲で受容することができ、さらに、その位置修正を行うための位置修正手段７０が、ガラス素材ＰＦの周縁に接近、接触でき、さらには退避することができるのである。

ガラス素材ＰＦの位置修正後、図２（ｆ）に示すように、上型１０と下型４０を接近させ、荷重を印加することによってガラス素材ＰＦをプレス成形する。このとき、ガラス素材ＰＦは、上下型１０、４０の成形面形状に変形し、その形状が転写される。また、ガラス素材ＰＦと下型４０の成形面４１間に閉じ込められる雰囲気ガスは、下リング５０に形成された通気孔５０ａから逃がすことができる。

そして、図２（ｇ）に示すように、上下型１０、４０とガラス成形体の接触を維持したまま冷却し、ガラス粘度で、１０^１３ポアズ付近に冷却された段階で、上下型１０、４０を離間させる。なお、図２（ｇ）に示すように上下型１０、４０が接近し、成形体の所定肉厚が出た時点で、成形体の周縁には自由表面が残っている。このようにすると、ガラス素材ＰＦの体積ばらつきを吸収することができる。

荷重印加に際しては、２段階以上の荷重を適用することが好ましい。例えば、まず、第一荷重によって、ガラス素材ＰＦを、所定の中心肉厚（最終的なレンズの中心肉厚よりわずかに大きい。）まで変形させる。この変形過程で、並行して冷却を行うことが好ましい。すなわち、第一荷重の印加開始時、又は印加中に、冷却を開始する。
そして、ガラス粘度が１０^１０ポアズ相当、又はそれ以上となった時点で、第一荷重より小さい第二荷重（第一荷重の３０〜７０％程度）を印加することが好ましい。成形体の熱収縮に対しては、上型１０又は下型４０を追従させ、上下成形面１１、４１との密着を維持するが、このとき、上型１０を自重により追従させるのが好ましい。
このように、冷却と連動した多段階の荷重印加スケジュールを採ることによって、優れた面精度（例えば、アス、クセが２本以内）及び肉厚精度の光学素子を安定に得ることができる。

なお、上下型１０、４０を離間する際、成形体が上型１０の成形面１１に付着したままとなることがあるが、この場合、取り出し工程に支障が生じるため、上型１０の成形面１１と成形体との強制離型を行うことが好ましい。例えば、図２（ｇ）に示す状態で、上下型１０、４０を離間すると、上型１０の周囲に設けられた離型部材３１が、バネ３２の付勢力で下方に移動することにより、上型１０の成形面１１からはみ出した成形体の上面側周辺部と接触し、成形体を上型１０の成形面１１から強制的に離型させることができる。この後、上下型１０、４０をさらに離間させ、吸着パッドを有するロボット（図示せず）などを用いて、下型４０上の成形体を取り出す。
取り出した成形体は、芯取り加工を施し、光学中心と外径中心を一致させつつ、外縁部分を除去することで、所定のレンズ形状とすることができる。

［第一実施形態］
次に、本発明の第一実施形態に係る成形装置と、この成形装置を用いた光学素子の製造方法について、図５及び図６を参照して説明する。ただし、参考形態と共通の構成については、参考形態と同じ符号を付し、参考形態の説明を援用する。
図５は、本発明の第一実施形態に係る成形装置の要部断面図、図６は、第一実施形態の成形装置による光学素子の製造工程を示す説明図である。

第一実施形態の成形装置も、上型１０、上胴型２０、強制離型手段３０、下型４０及び支承部材としての下リング５１を備えるが、さらに、下リング５１を包囲する下胴型８０が設けられている。第一実施形態の下リング５１は、下胴型８０の内周に沿って上下に摺動可能に支持されるとともに、下リング５１と下型４０のフランジ部との間に設けられたバネ５２によって上方に付勢されている。下胴型８０の内周及び下リング５１の外周には、段差８０ａ、５１ａが形成されており、段差８０ａ、５１ａ同士の係合によって下リング５１の上限位置が規定される。

図６（ａ）は、上下型１０、４０が離間した状態を示しており、図６（ｂ）は、下型４０上にガラス素材ＰＦが供給された状態を示している。ここでは、平板状のガラス素材を例としたが、もちろん両凸曲面形状のものを用いても良い。
ガラス素材ＰＦの搬送、供給方法は、参考形態と同様に行うことができる。また、下型４０の成形面中心に対して、ガラス素材ＰＦの中心がずれた場合に備え、特に図示しないが、参考形態と同様の位置修正手段７０を設け、ガラス素材ＰＦの供給後、直ちに位置修正することが好ましい。

図６（ｃ）に示すように、下型４０上に供給されたガラス素材ＰＦは、下面側周辺部が下リング５１の上端面によって支承されている。なお、下リング５１の支承位置は、必ずしも水平面でなくてもよい。
その後、図６（ｄ）に示すように、下型４０が上昇することによって（又は上型１０の下降によって）、上下型１０、４０が接近し、プレス成形が行われる。このとき、下リング５１がガラス素材ＰＦの下面に当接しているため、バネ５２の収縮によって上昇が妨げられる。換言すると、下リング５１は、上下型１０、４０の接近動作に伴い、ガラス素材ＰＦを介して、上型１０で下方に押され、下型成形面下に退避される。
ついで、下型４０が最終位置まで上昇して、成形体は所定の肉厚となる（図５（ｅ））。このとき、下型４０の成形面４１と下リング５１の上端面の高さはほぼ等しくなる。
以後、参考形態と同様に、上下成形面１１、４１と成形体の密着を維持したまま冷却するとともに、離型して取り出しを行う。強制離型手段３０も、参考形態と同様に機能する。

以上のように、下リング５１を下型成形面下に退避させると、成形体の下面側に、下型成形面４１と下リング５１の境界段差（角面）が転写されることを防止できる。これにより、成形体に角面が転写された場合のように、成形体に内部歪みが生じたり、成形体が割れ易くなるなどの不良を回避し、得られる光学素子の品質を高めることができる。
また、本実施形態では、成形素材ＰＦを利用して下リング５１を退避させるので、部品点数の増加を回避し、成形装置の構造を簡略化することができる。

［第二実施形態］
つぎに、本発明の第二実施形態に係る成形装置と、この成形装置を用いた光学素子の製造方法について、図７及び図８を参照して説明する。
図７は、本発明の第二実施形態に係る成形装置の要部断面図、図８は、第二実施形態の成形装置による光学素子の製造工程を示す説明図である。

図８に示す各工程は、前述した第一実施形態の製造装置による製造工程を示す図６の各工程に対応する。第二実施形態の成形装置は、第一実施形態の成形装置と同様に、上下型１０、４０の接近動作に伴って、下リング５１が下型成形面下に退避するように構成されるが、ガラス素材ＰＦを介して上型１０が下リング５１を押下するのではなく、上型１０のフランジ部に取り付けたピン（連動部材）９０が下リング５１の上端に接当し、下リング５１を下型成形面下に相対的に退避させる点が第一実施形態の成形装置と相違している。

このような構成によれば、上下型１０、４０の接近に伴って、常に下リング５１が一定量下方向に退避するので、より確実に下リング５１の退避位置を決定することが可能である。これにより、成形体の下面側に、下型成形面４１と下リング５１の境界段差が転写されることを確実に防止できるだけでなく、成形体にバネ５２の付勢力が作用することを回避し、ガラス温度(粘度)変動による成形体の形状ばらつきも防止できる。

成形体の周縁形状は、下リング５１の退避距離を選択することによって、適宜所望のものにできる。例えば、図８（ｅ）では、成形体の周縁が滑らかな自由表面となっており、局所的な応力集中に起因する欠けや面精度劣化などを防止できる。
また、下リング５１の退避は、下リング５１の上端面が完全に下型成形面下となる場合のほか、下リング５１の上端面が下型成形面と滑らかにつながる場合や、下リング５１の一部が下型成形面上にある場合も含まれる。

［参考例］
図１の成形装置を用い、両凹形状のレンズを成形した。
上型成形面の径（上型ボス径）はφ１８．３ｍｍ、下型成形面径（下型ボス径）はφ１２．６ｍｍとした。下リング上端部の内径はφ１６であり、下型ボス径部までに傾斜が付してある。ガラス素材は外径φ１７の両凸曲面形状のものを使用した。

ガラス素材を下型上へ供給する際には、下型及び下リングを下降させ、上下型間にガラス素材の供給に必要なスペースを確保した。ガラス素材を、不図示の加熱手段によって、予めガラス粘度で１０^６ポアズ相当の温度に予熱し、図３の落下供給手段を用いて下型上に落下供給した。ガラス素材は、支承部材としての下リングによって支承された。ついで、図４の位置修正手段により、ガラス素材を下型形成面の中心位置に位置修正した。この際、上型、上胴型、下型及び下リングからなる成形部は、１０^９ポアズ相当の温度に予備加熱された状態とした。

直ちに、下型及び下リングを上方向に移動し、ガラス素材の上端部が上型の下端部と接触する位置まで上昇させ、さらにガラス素材が１０^８ポアズ程度の状態において、上型と下型の接近により荷重（第１荷重）を印加し、ガラス素材の変形を始めた。その後、ガラス素材の下端部が下型の上端部と接触する位置まで変形を続け、さらに上型と下型の接近を継続した。

この過程でガラス素材は大きく変形し、所望の光学素子形状に近似し、所定肉厚（最終肉厚よりわずかに大きい）をもつ成形体となった。なお、第一荷重印加と同時に、冷却を開始し、ガラス粘度が１０^１０ポアズになった時点にて、第一荷重の４０％程度の第二荷重を印加した。

そのまま、上下型とガラス成形体の密着を維持してさらに冷却し、ガラス粘度が１０^１３ポアズ以上となったときに、上下型を離間し、成形体の取出しを行った。このとき、成形体の中心肉厚は、所望の最終肉厚となっている。
上下型を離間する際には、上型の周囲に配置された離型部材がバネにより下方に付勢されていることから、上型成形面外にはみ出した成形体の周縁部分と接触し、成形体を上型成形面から確実に離型させた。取り出しは、吸着パッドを備えたロボットによって行った。
得られた成形体は、後述する評価方法によって評価した。

［実施例］
図５の成形装置を用い、両凹形状のレンズを成形した。成形装置は、上型、上胴型、強制離型手段、下型、下胴型及び下リングから構成されており、上型成形面径（ボス径）はφ１８．３ｍｍ、下型成形面径（ボス径）及び下リング内径はφ１２．６ｍｍである。ガラス素材は外径φ１６の両平面円盤状のものを使用した。

ガラス素材を供給する際には、下型、下胴型及び下リング位置を下降させ、上下型間にガラス素材の供給に必要なスペースを確保した。この際、下リングの上端面は、下胴型の上端面と同位置までバネにより上昇している。
参考例と同様に、別途予熱したガラス素材を下リング上に落下供給し、位置修正手段により中心位置に位置修正した。この際、上型、上胴型、下型、下リング及び下胴型からなる成形部は、参考例と同様に予備加熱されている。

直ちに、下型、下胴型及び下リングを上昇させ、ガラス素材の上端部が上型の下端部と接触すると、バネにより上昇位置にあった下リング及びガラス素材は上型により押し下げられた。その後、ガラス素材の下端部が下型の上端部と接触する位置まで、下リング及びガラス素材は押し下げられた。ガラス素材が１０^８ポアズ程度の状態下において、ガラス素材の下端部と下型の上端部が接触した。

その後、さらに上型と下型の接近により荷重（第一荷重）が印加され、この過程でガラス素材は大きく変形し、所望の光学素子形状に近似し、所定肉厚（最終肉厚よりわずかに大きい）をもつ成形体となった。第一荷重印加中に、冷却を開始し、ガラス粘度が１０^１０ポアズになった時点にて、第一荷重の４０％の第二荷重を印加した。

そのまま、上下型とガラス成形体の密着を維持してさらに冷却し、その後、ガラス粘度が１０^１３ポアズ以上となったときに、上下型を離間し、成形体の取出しを行った。このとき、成形体の中心肉厚は、所望の最終肉厚となっている。
上下型を離間する際には、実施例１と同様に強制離型手段が機能し、上型成形面から成形体を確実に離型させた。
得られた成形体について、後述する方法によって評価した。

［比較例］
支承部材が設けられていない図９の成形装置を用いて、レンズを成形した。この成形装置は、上型、上胴型、強制離型手段及び下型から構成されており、上型成形面径（ボス径）はφ１８．３ｍｍ、下型成形面径（ボス径）はφ３０ｍｍである。ガラス素材は外径φ１６の両平面円盤状のものを使用した。

実施例と同様に、ガラス素材を供給する際には、下型位置を下降させ、ガラス素材の供給に必要なスペースを確保した。ガラス素材を下型上に落下供給し、位置修正手段による位置修正を行った。成形部とガラス素材の温度条件も実施例と同様とした。

直ちに、下型位置を移動し、ガラス素材の上端部が上型の下端部と接触する位置まで上昇させた。ガラス素材が１０^８ポアズ程度の状態下において、上型と下型の接近により荷重（第一荷重）を印加した。ガラス素材は、大きく変形するとともに、所望の光学素子形状に近似し、所定肉厚（最終肉厚よりわずかに大きい）をもつ成形体となった。
第一荷重印加中に、冷却を開始し、ガラス粘度が１０^１０ポアズになった時点にて第二荷重を印加した。その後、ガラス粘度が１０^１３ポアズ以上となったときに、上下型を離間し、成形レンズの取出しを行った。

［成形体の評価］
参考例、実施例及び比較例では、本発明の型構造の有効性を確認するために、試験的に第１面、第２面の両面に球面を有する両凹レンズを使用した。成形レンズ寸法は表１の通りである。

なお、参考例、実施例及び比較例では、得られた成形体に芯取り加工を施し、成形体の外周部分を除去した。得られた最終径を、表１では芯取り径として示す。これは光学素子有効径、又はレンズ有効径と同義である。

それぞれの型構造にて各１００回のレンズ成形を実施した。各レンズの面形状を評価し、下のランク表に従ってランク区分した。

また、成形体の偏肉を評価するにあたり、成形体の外径中心と転写された球面部中心とのズレをオフセンター率として図１０のように定義し、オフセンター率の分布を各型構造にて調査した。

参考例、実施例及び比較例でプレス成形した各１００個のオフセンター率分布を図１１に示す。
比較例の場合では、下型位置上昇の際に、ガラス素材が下型位置からずれてしまい、その結果、オフセンター率分布は劣化している。これに対し、参考例、実施例では成形開始時点まで位置ズレが生じず、その結果、オフセンター率分布が大幅に向上している様子がうかがえる。
下表はそれぞれの型構造にてプレス成形した各１００個のレンズの面形状ランク分布調査結果である。

この表のように、比較例ではオフセンターの劣化に従って、アス・クセレベルが著しく劣化しているのに対し、参考例、実施例ではアス・クセレベルが大幅に向上した。すなわち、オフセンターを防止することによって、成形体の偏肉が防止できるとともに、面精度（アス、クセ）も抑止できることが認められた。このように、本発明の成形装置を採用することにより、オフセンターを原因とするアス、クセ、面不良の発生が抑止された。

本発明は、ガラス等の成形素材を、精密加工を施した成形型によってプレス成形し、光学素子を製造するモールドプレス成形装置及び光学素子の製造方法に適用される。特に、成形面に凸面を有する下型上に、成形素材の供給を行うモールドプレス成形装置や光学素子の製造方法において有用である。

本発明に係るモールドプレス成形装置の参考形態における要部断面図である。 参考形態として示した成形装置による光学素子の製造工程を示す説明図である。 （ａ）は、落下供給手段の部分平面図、（ｂ）は、落下供給手段のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は、位置修正手段の平面図、（ｂ）は、位置修正手段の作用説明図である。 本発明の第一実施形態に係るモールドプレス成形装置の要部断面図である。 第一実施形態の成形装置による光学素子の製造工程を示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係るモールドプレス成形装置の要部断面図である。 第二実施形態の成形装置による光学素子の製造工程を示す説明図である。 比較例に係るモールドプレス成形装置の要部断面図である。 オフセンター率の説明図である。 参考例、実施例及び比較例におけるオフセンター率の分布を示すグラフである。

符号の説明

１０ 上型
１１ 成形面
２０ 上胴型
３０ 強制離型手段
４０ 下型
４１ 成形面
５０ 下リング（支承部材）
５１ 下リング（支承部材）
５２ バネ
６０ 落下供給手段
７０ 位置修正手段
８０ 下胴型
９０ ピン
ＰＦ 成形素材（ガラス素材）

Claims (17)

1. 成形面に凸面を有する下型と、その上方に対向配置される上型とを備え、前記下型上に供給した成形素材を、加熱軟化した状態でプレス成形するモールドプレス成形装置において、
   前記下型成形面の周囲に、前記成形素材の下面側周辺部を支承する支承部材を設けるとともに、当該支承部材で支承された前記成形素材の周縁部外方の少なくとも一部を開放空間とすることにより、前記成形素材の周縁部の少なくとも一部を自由端にし、
   前記成形素材をプレス成形する際に、前記上型と前記下型の相対的な接近動作に伴って、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させることを特徴とするモールドプレス成形装置。
2. 前記上型と前記下型の相対的な接近動作を、前記成形素材を介して前記支承部材に伝えることによって、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させることを特徴とする請求項１記載のモールドプレス成形装置。
3. 前記上型と前記下型の相対的な接近動作を前記支承部材に伝える連動部材を有し、当該連動部材によって、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させることを特徴とする請求項１記載のモールドプレス成形装置。
4. 前記下型上に供給された前記成形素材の周縁部に接触して、前記成形素材の位置を修正する位置修正手段を備える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装置。
5. 前記成形素材を前記下型上に落下供給する落下供給手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のモールドプレス成形装置。
6. 予備成形された所定体積の成形素材を、成形面に凸面を有する下型と、その上方に対向配置される上型によりプレス成形して得られる光学素子の製造方法において、
   前記下型上に前記成形素材を供給する際に、前記成形素材の下面側周辺部の少なくとも一部を支承部材で支承するとともに、当該支承部材で支承された前記成形素材の周縁部外方の少なくとも一部に開放空間を確保することにより、前記成形素材の周縁部の少なくとも一部を自由端とし、前記上型と前記下型の相対的な接近動作に伴い、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させて、その後にプレス成形を行うことを特徴とする光学素子の製造方法。
7. 前記上型と前記下型の相対的な接近動作を、前記成形素材を介して前記支承部材に伝えることによって、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させることを特徴とする請求項６記載の光学素子の製造方法。
8. 前記上型と前記下型の相対的な接近動作に、前記支承部材を連動させることによって、前記支承部材を前記下型の成形面下に退避させることを特徴とする請求項６記載の光学素子の製造方法。
9. 前記成形素材が、両凸曲面形状に予備成形されたものであることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
10. 前記成形素材が、溶融状態から流下又は滴下することによって予備成形されたガラス素材であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
11. 前記成形素材が、ガラス素材であり、１０^５．５〜１０^９ポアズの粘度に相当する温度に予熱されて、前記下型上に落下供給されることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
12. 前記成形素材を、前記下型上に供給した後、位置修正することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
13. 前記成形素材の周縁部外方の解放空間を移動する位置修正手段を、前記成形素材の周縁部に接触させることにより、前記成形素材の位置を修正することを特徴とする請求項１２記載の光学素子の製造方法。
14. 前記成形素材が、光学素子有効径よりも大きい径を有することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
15. 前記支承部材が前記成形素材の下面側周辺部を支承した状態で、前記上型の成形面を前記成形素材に当接させた後、前記下型の成形面と前記成形素材を当接させて、前記上型と前記下型を所定間隔まで近接させることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
16. 前記成形素材を供給する成形型として、上型、下型、該下型の周囲に設けられ前記成形素材の下面側周辺部を支承する筒状の支承部材、及び前記上型と前記下型を嵌入する胴型とを有する成形型を用いることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
17. 前記支承部材として、前記成形素材を支承したときに、前記成形素材と前記下型との間に形成される空間と、前記成形型の外部とを連通する通気孔を形成した支承部材を用いることを特徴とする請求項１６の光学素子の製造方法。

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