JP4708958B2

JP4708958B2 - 光学素子の成形用型

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Publication number: JP4708958B2
Application number: JP2005318986A
Authority: JP
Inventors: 剛野村; 鋼清松本
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Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2011-06-22
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Also published as: JP2007126314A

Description

本発明は、ガラス素材を加熱軟化させて光学素子をプレス成形するための光学素子の成形用型に関するものである。

ガラス素材を加熱軟化させて光学素子をプレス成形するための成形用型は、上型部材および下型部材と、前記上型部材および前記下型部材を接近および離間自在に保持する胴型とを備えている。

例えば、両面に光学機能面を有するレンズをプレス成形する場合は、一方の光学機能面の光軸と他方の光学機能面の光軸との相対的なずれや傾きが発生しないようにする必要がある。

しかし、光学素子の成形用型は、上型部材および下型部材とこれらを接近および離間自在に保持する胴型との隙間の寸法が加熱・冷却時における温度分布等に起因する熱膨張によって変化する。このため、室温で上型部材および下型部材と胴型との光軸精度を調整してもプレス成形時に光軸精度が悪化する。そこで、プレス成形中において光軸の調整を行うことができる図９、図１０に示すような光学素子の成形装置（特許文献１参照）が提案されている。

この光学素子の成形装置は、図９、図１０に示すように、光軸を調整した上型部材１０１の光学機能面１０１ａと下型部材１０２の光学機能面１０２ａとの間に加熱軟化させたガラス素材を配置したのち、各駆動手段１０６、１０８を起動してプレス成形する。このプレス成形中に、光軸調整手段により、両光学機能面１０１ａ、１０２ａの光軸を再度調整する。この光軸調整手段は、前記光軸と交差する方向から上型部材１０１および下型部材１０２を挟んで押圧する一対の押圧部材１１１、１１２を有し、各押圧部材１１１、１１２の各駆動手段１１４、１１５を起動して光軸を再度調整できるように構成されている。
特開平１１−１５７８５４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された光学素子の成形装置は、光軸調整手段を動作させるための駆動装置が必要であり、装置のコストアップや大型化を招く。また、成形用型だけでなく光軸調整手段の駆動装置の周りの成形時における雰囲気の遮断も完全ではなく、温度の外乱要因にもなりやすいという未解決の課題があった。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、光軸調整手段を駆動する駆動装置を設けなくても、光軸精度の優れた高精度な光学素子をプレス成形することができる光学素子の成形用型を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の光学素子の成形用型は、光学機能面を転写させるための成形面を有する上型部材と、光学機能面を転写させるための成形面を有する下型部材と、お互いの前記成形面を相対させた前記上型部材および前記下型部材を、接近および離間自在に案内する胴型とを備えており、加熱軟化させたガラス素材を前記上型部材と前記下型部材との間に配置してプレス成形する光学素子の成形用型において、前記胴型は、少なくとも２個の分割胴型からなっており、各分割胴型はそれぞれの両側端に形成された結合部においてお互いが締結部材により結合されており、前記胴型は前記締結部材により、前記上型部材および前記下型部材を締め付けて保持しており、前記締結部材による前記各分割胴型の結合に対して、前記胴型による前記上型部材および前記下型部材に対する締め付け力を調整する調整手段を有し、前記調整手段は、前記分割胴型における前記上型部材および前記下型部材を保持する部位と、前記結合部との間に形成され、他の部位に比べて剛性の低い弾性変形する部位からなること、を特徴とする。

本発明は上述のとおり構成されているので、次に記載するような効果を奏する。

プレス成形時に生じる胴型と上型部材および下型部材との寸法差に起因する締め付け力の変化に対して、プレス成形中においても、調整手段により調整することができる。これにより、大掛りな装置を使わずに比較的簡単な構成にて、胴型による上型部材および下型部材の締め付け力を最適な状態、つまり、隙間の寸法が１〜２μｍあるいはゼロ、または若干の予圧がかかった状態に保つことができる。

互いに結合された分割胴型間による上型部材および下型部材の締め付け力の調整は、成形中に常時行われている。そのため、途中で締まりすぎて成形用型が破損したり、隙間の寸法が大きくなりすぎて上型部材および下型部材のそれぞれの成形面の光軸がずれることもなく、光軸精度の優れた光学素子を得ることができる。さらに、成形用型周辺の雰囲気を遮断することが容易であり、成形用型の温度分布の発生も抑えることができ、より高精度な光学素子の成形が可能となる。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は第１の実施例による光学素子の成形用型を示し、（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿う模式横断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う模式縦断面図である。

図１の（ａ）、（ｂ）に示すように、上型部材５の下端面には一方の光学機能面を転写させるための成形面５ａが形成され、下型部材６の上端面には他方の光学機能面を転写させるための成形面６ａが形成されている。

胴型は、一方の分割胴型１と他方の分割胴型２とで構成されており、上型部材５の成形面５ａと下型部材６の成形面６ａとが相対した状態で接近および離間自在に保持している。また、上型部材５の上端にはつば部５ｂが設けられており、下型部材６の下端部につば部６ｂが設けられている。

一方の分割胴型１は約９０度の角度で交差するＶ字状の面からなる基準面１ａを有しており、基準面１ａの両側端に調整部１ｃを介して結合部１ｂが連設されている。同様に他方の分割胴型２は約９０度の角度で交差するＶ字状の面からなる基準面２ａを有しており、基準面２ａの両側端に調整部２ｃを介して結合部２ｂが連設されている。

一方の分割胴型１と他方の分割胴型２とは、それぞれの基準面１ａ、２ａが相対しかつ結合部１ｂ、２ｂにおいて所定の寸法の間隔Ｓが生じるように締結部材によって結合されている。締結部材は、各結合部１ｂ、２ｂに設けられた同軸の貫通孔にボルト３を嵌挿し、ボルト３の先端にロックナット４を螺合した簡単なものである。

各基準面１ａ、２ａは、平面度が１μｍ以内に仕上げてあり、コロ９とリテーナ１０を有する高精度でかつ耐熱性のあるベアリング１１を介して上型部材５と下型部材６とを接近および離間自在に案内している。

一方の分割胴型１の基準面１ａと結合部１ｂとの間には、他の部位に比べて断面積を小さくして剛性を低下させた撓みによる弾性変形を発生させる調整部１ｃが設けられている。他方の分割胴型２の基準面２ａと結合部２ｂとの間には、他の部位に比べて断面積を小さくして剛性を低下させた撓みによる変形を発生させる調整部２ｃが設けられている。両分割胴型１、２は初期状態ではコロ９を介して上型部材５および下型部材６を所望の締め付け力で挟み込んだ状態で結合してある。

ところで、プレス成形中は、加熱・冷却を繰り返し行うため、両分割胴型１、２、コロ９、上型部材５、下型部材６等の寸法関係が初期状態とは異なってくる。通常、上型部材５および下型部材６の熱膨張係数よりもコロ９および両分割胴型１、２の熱膨張係数のほうが大きいため、加熱時には前者より後者の方が寸法が大きくなる。

さらに、成形用型Ｅ₁の加熱が、両分割胴型１、２の内部や外部から行われるものでは、まず両分割胴型１、２が先に加熱され、その後にコロ９を介して上型部材５および下型部材６が加熱される。このため、両者に温度差が生じ、この場合も両分割胴型１、２の方が寸法が大きくなり、上型部材５および下型部材６との隙間の寸法の増大による光軸の悪化が発生する。

また、冷却時においては、前記熱膨張量の差による隙間の寸法は減少してくるが、外側にある両分割胴型１、２が先に冷えやすく、上型部材５および下型部材６の冷却が遅れる。その結果、逆に両分割胴型１、２の寸法が小さくなり、コロ９、上型部材５、下型部材６を締め付けることになってしまい、場合により上型部材５、下型部材６、コロ９が塑性変形したり、あるいは破損するおそれがある。

よって、調整部１ｃ、２ｃの剛性、および初期の締め付け力はこれらの不具合が起きないように決定される。具体的には、プレス時に上型部材５および下型部材６を保持するための保持力Ｆ１が必要である。また上記の例では初期状態よりプレス時の方が両分割胴型１、２による締め付け力が緩んでくるため、その減少分の力Ｆ２を加えた初期締め付け力ＦＡ＝Ｆ１＋Ｆ２が必要となる。

また、冷却時は逆に締まってくるため、その増加分の力Ｆ３を加えて、冷却時締め付け力ＦＢ＝Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３となる。

成形用型Ｅ₁やコロ９の塑性変形を考慮すると、プレス時に保持するための保持力Ｆ１以外はなるべく小さくしておきたい。しかし、Ｆ２、Ｆ３は調整部１ｃ、２ｃの剛性次第であるため、調整部１ｃ、２ｃは保持力Ｆ１に対する強度は保ちつつ、ばね定数が小さく（変位に対して力の変化が小さく）なるように設計するのが望ましい。

因みに、プレス成形時の型寸法の変化量は、型の材質や大きさ、加熱・冷却の方法にもよるが、数μｍから数十μｍを想定しておけばよい。

本実施例によれば、加熱・冷却時に両分割胴型１、２、コロ９、上型部材５、下型部材６の間に材質の違いや温度の差による寸法差があっても、調整部１ｃ、２ｃが弾性変形してこれらの寸法差を吸収する。プレス時には両分割胴型１、２により上型部材５および下型部材６を適正締め付け力で保持する。また、冷却時においても両分割胴型１、２やコロ９を塑性変形させるような過度の締め付け力を発生させることなく保持することが可能となる。つまり、本実施例において、調整部１ｃ、２ｃが保持部の上型部材５および下型部材６の締め付け力を調整する調整手段に相当する。

次に、上記の第１の実施例による光学素子の成形用型Ｅ₁を使ってプレス成形を行う際の詳細について説明する。

プレス成形機においては、上型部材５の成形面５ａと下型部材６の成形面６ａの間にはガラス素材Ｗが配置される。成形用型Ｅ₁は外気から雰囲気を遮断され、不活性ガスで充たされたチャンバー内に配置される。また上型部材５の上方には、図示しないプレス時の押圧力を印加するためのプレス軸が配設され、押圧力や位置を制御するためのアクチュエータに接続されている。

なお、成形用型Ｅ₁の周りには、上型部材５および下型部材６ならびにガラス素材Ｗを加熱するためのヒータおよび冷却するための不活性ガス噴出手段（不図示）が設けられている。さらに、胴型の周りに温度の均一性を高めるための円筒型の反射板が配設され、また、上型部材５、下型部材６にはそれぞれ温度検出手段が付設されて温度制御が行えるようになっている。

加熱前の成形用型Ｅ₁では、両分割胴型１、２が調整部１ｃ、２ｃを撓ませて結合部１ｂ、２ｂにおいて結合されている。このため、両分割胴型１、２の基準面１ａ、２ａはコロ９を介して上型部材５と下型部材６の側面を所定の初期締め付け力ＦＡにて保持している。そして周りに配設されたヒータにより上型部材５、下型部材６およびガラス素材Ｗの加熱を開始する。上型部材５、下型部材６およびガラス素材Ｗがプレス可能な温度まで到達した時点で、不図示のプレス軸により上型部材５に押圧力が印加され、プレスが開始される。この時点では、両分割胴型１、２が上型部材５および下型部材６よりも先行して加熱される。さらに、両分割胴型１、２の基準面１ａ、２ａと上型部材５および下型部材６との間にはコロ９が介在されていて熱伝導もあまりよくないため、両分割胴型１、２の温度の方が高くなっている。また熱膨張係数は、両分割胴型１、２の方が上型部材５および下型部材６よりも大きい。このため、両分割胴型１、２の寸法が上型部材５と下型部材６の外周に比べて広がっているので、調整部１ｃの撓みは減少して、この時点での保持力Ｆ１は当初の初期締め付け力ＦＡに比べて減少分の力Ｆ２だけ低くなっている。ただし、保持力Ｆ１はプレス時において十分に上型部材５および下型部材６を保持できるだけの大きさとなるように当初の初期締め付け力ＦＡを設定してあるので、問題はない。

所定の量だけガラス素材Ｗが変形すると、そこで一旦押圧力を解除し、ついで成形用型Ｅ₁の周りに配置された不活性ガス噴出手段による冷却を開始する。

そして所定温度まで冷却された時点で、成形品の面形状が崩れないように再びプレス軸により上型部材５に押圧力を印加し、さらに冷却を続けて所定の温度になった時点でプレス圧力を解除する。

この時点になると、成形用型Ｅ₁が外周側より冷却されることもあり、内外の温度差が逆転して、両分割胴型１、２よりも上型部材５および下型部材６の方が温度が高い状態となる。そのため、両分割胴型１、２の寸法が上型部材５と下型部材６の外周に比べて締まってきて、調整部１ｃ、２ｃの撓みは増し、この時点での冷却時締め付け力ＦＢは当初の初期締め付け力ＦＡに比べて力Ｆ３だけ高くなっている。ただし、冷却時締め付け力ＦＢは成形用型Ｅ₁を構成している部材を塑性変形させたり、破壊させたりするような力より低くなるように調整部１ｃ、２ｃの形状を設定しておけば問題はない。

そしてさらに冷却を行い、所定の温度まで到達したときに、冷却を終了し、上型部材５を成形用型Ｅ₁からはずして、成形品を取り出し、成形を終了する。

上記のような一連の工程により、成形が繰り返し行われるが、ここでカメラに使用されるレンズを例にさらに詳細な説明を行うことにする。

ガラス素材に重クラウンガラス（屈折率１．５８、アッベ数５９．４、転移点５０６℃）を使用し、両面とも凸非球面（近似Ｒ９ｍｍ）で外径φ７ｍｍ、中心肉厚３．０ｍｍ、外周肉厚１．６ｍｍの凸レンズを成形する。

まず、上型部材５、下型部材６およびガラス素材Ｗの温度が５８０℃（１０^9.0ポアズ相当）になるまで加熱、待機する。そののちに、上型部材５により２４５０Ｎ（ニュートン）の押圧力を加えてプレス成形し、肉厚が３．０ｍｍまで２０〜３０μｍ残したところで上型部材５による押圧力を解除してプレス工程を終了する。

ついで冷却を開始して５６０℃（１０^9.8ポアズ相当）になったときに、再度上型部材５により成形品に１９５０Ｎの押圧力を加えて冷却を続け、４９０℃（１０^13.5ポアズ相当）まで到達した時点で上型部材５の押圧力を解除する。この時点で成形品の肉厚はほぼ３．０ｍｍとなる。

そして冷却を終了したのち、上型部材５を成形用型Ｅ₁からはずし、成形品の取り出しを行う。

このとき、プレス時に必要な胴型の保持力Ｆ１＝２５０Ｎとし、そのときの胴型の保持部の相対的な寸法（コロ９の寸法も考慮した上型部材５および下型部材６の外径寸法）に対しての初期値からの増加量を８μｍとした。また、同じく冷却時の初期値からの減少量を２μｍとして、このときの冷却時締め付け力ＦＢが３５０Ｎ（初期締め付け力ＦＡ＝３３０Ｎ）となるように両分割胴型１、２の調整部１ｃ、２ｃの形状を設計した。

以上のプレス成形を繰り返し行ったが、問題となるような型の変形や破損は発生しなかった。成形品を評価したところ、上型部材５の光学機能面である成形面５ａと下型部材６の光学機能面である成形面６ａの２面間の光軸の平行偏心は２μｍ以下であった。また、傾きも２０秒以下となり、そのほか面形状の部分的なズレも０．１μｍ以下であって、カメラのレンズの中でも高精度といえるレンズを得ることができた。

このようにプレス成形中にも常時上型部材５および下型部材６の各光学機能面である成形面５ａ、６ａの光軸を調整できる構造の成形用型Ｅ₁を用いることにより、光軸精度も含めて極めて高精度な光学素子を得ることができた。

次に、第２の実施例による光学素子の成形用型について図２に基づいて説明する。成形用型の一部の構成を除いては第１の実施例による光学素子の成形用型と同様であるため、異なる部分について説明する。

胴型は、一方の分割胴型２１と他方の分割胴型２２の２つの部材から構成されている。一方の分割胴型２１は、ほぼ９０度の角度で交差するＶ字状の面からなる基準面２１ａを有し、基準面２１ａの両側端にフランジ状の結合部２２ｂが連設されている。他方の分割胴型２２は、ほぼ９０度の角度で交差するＶ字状の面からなる基準面２２ａを有し、基準面２２ａの両側端にフランジ状の結合部２２ｂが連設されている。一方の分割胴型２１と他方の分割胴型２２とは、それぞれの基準面２１ａ、２２ａが相対した状態で結合部２１ｂ、２２ｂにおいて所定の寸法の間隔Ｓが生じるように締結部材で結合されている。

締結部材は、各結合部２１ｂ、２２ｂにそれぞれ設けられた同軸の貫通孔に圧縮ばね２５を頭部側に介在させたボルト２３を嵌挿し、ボルト２３の先端にロックナット２４を螺合して結合している。これにより、ロックナット２４の螺合位置を調整して初期長さに設定された圧縮ばね２５の弾性力によって、コロ９、上型部材５および下型部材６を所定の締め付け力で挟み込み、弾力的に締結している。

つまり、本実施例に係る締め付け力を調整する調整手段では、第１の実施例における、調整部２ｃの弾性変形によって成形時に生じる型間の寸法差の吸収作用を、圧縮ばね２５に置き換えて行っている。

両分割胴型２１、２２が圧縮ばね２５のばね作用（復元力）により、コロ９を介して上型部材５と下型部材６の側面を所定の締め付け力にて締め付けて保持している。圧縮ばね２５に求められる力についても、プレス時に必要な保持力Ｆ１、初期締め付け力ＦＡ、冷却時に発生する冷却時締め付け力ＦＢの考え方から第１の実施例による光学素子の成形用型Ｅ₁と同様に求められる。

第１の実施例と同様にカメラのレンズを同じ条件で成形し、圧縮ばね２５のばね定数も第１の実施例の調整部２ｃの剛性と同じになるように設計した。問題となるような型の変形や破損は発生せず、第１の実施例と同様に光軸精度も含めて極めて高精度な成形品を得ることができた。

続いて、第２の実施例における調整手段の変形例について説明する。本変形例の調整手段は、前述した図２に示す圧縮ばね２５のかわりに、分割胴型２１、２２の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を持つ熱膨張部材（不図示）がボルトの頭部と結合部の間に介在されている。前記熱膨張部材は、例えばボルトが遊嵌できる内径を有する筒状体とするとよい。

なお、前記熱膨張部材はボルトのロックナット側に介在させても、ボルトの頭部側およびロックナット側の両方に介在させてもよい。

すなわち、本変形例における調整手段は、前記分割胴型が前記上型部材および下型部材を締め付けるように、前記分割胴型の少なくとも一方の外側から常時付勢する、熱膨張係数が前記分割胴型の熱膨張係数より大きい熱膨張部材からなる。

本変形例によれば、加熱時においては、熱膨張部材が熱膨張によりその長さが伸びて、前記分割胴型の少なくとも一方の外側から上型部材および下型部材を締め付けるように常時付勢する。その結果、上記図２に示した第２の実施例と同等の効果を奏する。

次に、第３の実施例による光学素子の成形用型について説明する。図３において、成形用型の一部の構成を除いては第１の実施例と同様であるため、同一部分には同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分について説明する。

一方の分割胴型３１と他方の分割胴型３２とを有し、一方の分割胴型３１のＶ字状の面からなる基準面３１ａと他方の分割胴型３２のＶ字状の面からなる基準面３２ａの中心付近で上型部材５と下型部材６とを位置決め保持する構成となっている。第１の実施例と異なる部分としては、一方の分割胴型３１の基準面３１ａおよび他方の分割胴型３２の基準面３２ａの一部が直接上型部材５および下型部材６をガイドしている。また、一方の分割胴型３１と他方の分割胴型３２とを間隔Ｓを生じるように結合する締結部材は、それぞれの結合部３１ｂ、３２ｂの間に熱膨張部材３４を介在させ、ボルト３３により両側から固定している。

熱膨張部材３４は、所定の熱膨張係数を持つ材料からなり、少なくともプレス時には上型部材５と下型部材６が精度良く摺動可能な状態にする。このため、両分割胴型３１、３２の基準面３１ａ、３２ａと上型部材５および下型部材６の側面との隙間の寸法が１〜２μｍとなるように熱膨張部材３４の長さが調整される。そして、一方の分割胴型３１の結合部３１ｂと他方の分割胴型３２の結合部３２ｂの間に挟まれて固定されている。

ここで、実際の成形について考えてみると、通常、上型部材５および下型部材６の熱膨張係数より、一方の分割胴型３１および他方の分割胴型３２の熱膨張係数の方が大きい。このため、加熱時には前者より後者のほうが寸法が大きくなる。従来の方法であると、胴型と上型部材５および下型部材６との隙間の寸法が拡大して、これによりそれぞれの成形面のズレが発生し、成形される光学素子の光軸精度の悪化が生じてしまう。

さらに、胴型の内部や外周側から加熱が行われるものでは、胴型が先に加熱され、上型部材５および下型部材６が後から加熱される。このため、両者に温度差が生じ、この場合も胴型の方が寸法が大きくなり、隙間の寸法の拡大による光軸の悪化が発生する。

また、冷却時においては、熱膨張差による隙間の寸法は減少してくるが、外側にある胴型が先に冷えて、上型部材５および下型部材６の冷却が遅れると、逆に両分割胴型３１、３２のほうが寸法が小さくなる場合もある。その結果、上型部材５および下型部材６を強く締め付けることになってしまい、場合によっては成形用型Ｅ₃の塑性変形、あるいは破損が発生する事態になりうる。

なお、第３の実施例では、両分割胴型と上型部材および下型部材との間にベアリング（コロ）が介在しない分、第１、第２の実施例に比べれば加熱・冷却時の温度差は少なくなる。

よって、熱膨張部材３４の熱膨張係数、および初期の両分割胴型３１、３２の基準面３１ａ、３２ａと上型部材５および下型部材６の側面との隙間の寸法はこれらの不具合が起きないように決定されるが、具体的には以下の二つの方法がとられる。

一つは、上述したようにプレス時の一方の分割胴型３１および他方の分割胴型３２の寸法は、上型部材５および下型部材６の外径に対して広がる方向である。このため、熱膨張部材３４は、両分割胴型の熱膨張係数より小さな前記広がりを相殺するような熱膨張係数の材料を選択する。その場合、冷却時には逆に両分割胴型３１、３２の寸法が締まる傾向にあるため、熱膨張部材３４を直接冷やさないようにするなどして熱膨張部材３４の冷却を遅らせ、適正な寸法の隙間を確保することができる。

もう一つは、熱膨張部材３４の熱膨張係数をさらに小さいものとして、初期設定の隙間の寸法を大きめに取っておき、プレス時には隙間の寸法が減って１〜２μｍとなるようにする。さらに、冷却時には熱膨張差で隙間の寸法が大きくなる分と、温度差で隙間の寸法が減る分とを相殺して適正な寸法の隙間を確保することができる。

因みに、成形時の型寸法の変化量は型の材質や大きさ、加熱・冷却の方法にもよるが、数μｍから数十μｍを想定しておけばよい。

本実施例によれば、熱膨張部材３４の作用（熱膨張部材３４の温度調節も含む）により、加熱・冷却時に両分割胴型３１、３２、上型部材５および下型部材６の間に材質の違いや温度の差があっても、それにより生じるこれらの間の寸法差を吸収できる。このため、少なくともプレス時、冷却時、および型開閉時において両分割胴型３１、３２の保持部と上型部材５および下型部材６との隙間の寸法を常に適正な状態に保持することが可能となる。

次に、上記の成形用型Ｅ₃を使って成形を行う際の詳細について説明する。

使用する装置は第１の実施例と同じであるが、加熱前の成形用型では、両分割胴型３１、３２の基準面３１ａ、３２ａと上型部材５および下型部材６の側面との隙間の寸法が、例えば４〜５μｍとなるように熱膨張部材３４、３５の長さを設定して、２つの両分割胴型３１、３２を結合してある。

そして胴型の周りに配設されたヒータにより、成形用型Ｅ₃およびガラス素材Ｗの加熱を開始し、上型部材５、下型部材６およびガラス素材Ｗがプレス可能な温度まで到達した時点で、プレス軸により上型部材５に押圧力を加え、プレスを開始する。この時点では、両分割胴型３１、３２が上型部材５、下型部材６よりも先に加熱され、さらに両分割胴型３１、３２と上型部材５および下型部材６との間は隙間があって熱伝導もあまりよくないため、両分割胴型３１、３２の温度のほうが高くなっている。また、両分割胴型３１、３２の熱膨張係数が上型部材５および下型部材６より大きい。このため、両分割胴型３１、３２の保持部の寸法が上型部材５および下型部材６の外周面に比べて広がっている傾向がある。しかし、ここでは両分割胴型３１、３２の間にある熱膨張部材３４の熱膨張係数を小さく設定してある。その結果、プレス可能な温度に到達した時点で前記隙間の寸法が逆に１〜２μｍまで縮まる。

所定のプレス量だけガラス素材Ｗが変形されると、そこで一旦押圧力が解除され、次に胴型の周りに配置された不活性ガス噴出手段により冷却が開始される。

そして所定温度まで冷却された時点で、成形品の面形状が崩れないように再びプレス軸により上型部材５に押圧力が印加され、さらに冷却を続けて所定の温度になった時点で押圧力を解除する。

この時点になると、両分割胴型３１、３２の熱膨張係数が上型部材５および下型部材６よりも大きいことと、成形用型Ｅ₃が外周側より冷却されることで、内外の温度差が逆転する。そのため、胴型よりも上型部材５、下型部材６の方が温度が高い状態となり、前記隙間の寸法は減少してくる傾向にある。しかし、ここでは熱膨張部材３４の熱膨張係数を小さく設定してあるため、隙間の寸法変化は相殺され、１〜２μｍを保ったままで冷却が行われる。

そしてさらに冷却を行い、所定の温度まで到達したときに、冷却を終了し、上型部材５を成形用型Ｅ₃からはずして、成形品を取り出し、成形を終了する。

なお、冷却を終えて成形用型Ｅ₃の内外の温度差が解消してくると前記隙間の寸法は初期設定の４〜５μｍに戻る。

ここで、前記隙間の寸法を調整するのに熱膨張部材３４、３５の熱膨張係数の設定だけでは困難な場合、例えば冷却時に熱膨張部材３４、３５への冷却を制限するなど、別途温度調節を行うことで補助的に隙間の寸法を調整することもできる。

上記のような一連の工程により、成形が繰り返し行われる。ここでも第１の実施例と同様にカメラのレンズを例に説明を行うことにする。詳細な条件などは、第１の実施例と重複するため省略するが、このとき使用した型はいずれも超硬の材料であった。熱膨張係数は両分割胴型３１、３２で５．３×１０^-6／Ｋ、上型部材５および下型部材６はいずれも４．８×１０^-6／Ｋ、熱膨張部材３４は４．０×１０^-6／Ｋのものを選定して使用した。

その結果、前記隙間の寸法調整は良好であり、問題となるような型の変形や破損は発生せず、成形品を評価したところ、両光学機能面間の光軸の平行偏心は３μｍ以下、傾きも３０秒以下となり、第１の実施例と同様に光軸精度の優れた成形品を得ることができた。

第４の実施例による光学素子の成形用型について説明する。図４および図５に示すように、成形用型Ｅ₄は、胴型が、一方の分割胴型４１と他方の分割胴型４２とで構成されている。上型部材５５の一方の光学機能面を転写させるための成形面５５ａと、下型部材５６の他方の光学機能面を転写させるための成形面５６ａとは、凸メニスカスレンズ形状になっている。

成形品である光学素子は、光学機能面が凸メニスカスレンズ形状をしており、転移点温度は５０６℃、屈服点温度５３８℃、軟化点温度は６０７℃の重クラウンガラスをプレス成形したものである。

胴型は、一方の分割胴型４１と他方の分割胴型４２とで構成されており、上型部材５５の成形面５５ａと下型部材５６の成形面５６ａとが相対した状態で接近および離間自在に保持している。

一方の分割胴型４１は約６０度の角度で交差するＶ字状の二面からなる基準面４１ａを有しており、基準面４１ａの両側端に結合部４１ｂが連設されている。他方の分割胴型４２は平板状の一面からなる基準面４２ａを有しており、基準面４２ａの両側端に結合部４２ｂが連設されている。

一方の分割胴型４１と他方の分割胴型４２とは、それぞれの基準面４１ａ、４２ａが相対しかつ結合部４１ｂ、４２ｂにおいて所定の寸法の間隔が生じるように締結部材によって結合されている。締結部材は、結合部４１ｂ、４２ｂに設けられた同軸の貫通孔に圧縮ばね２５を頭部側に介在させたボルト４３を嵌挿し、ボルト４３の先端にナット４４を螺合して、前記間隔の寸法が変化できるように締結している。

なお、一方の分割胴型４１の基準面４１ａおよび他方の分割胴型４２の基準面４２ａは、それぞれの平面度は１μｍ以内に仕上げてある。

両分割胴型４１、４２からなる胴型には、成形素材であるガラス素材および成形品をハンドリングするための開口部が設けられている。そして、図４、５に示すように両分割胴型４１、４２は圧縮されたばね４５を備えたボルト４３、ナット４４にて複数箇所で軸力２ＫＮ程度で締結されている。また締結部分には常温時には０．１ｍｍ程度の寸法の間隔が設けられている。

締結された状態では、上型部材５５、下型部材５６、両分割胴型４１、４２、円筒型ベアリング部材４９にはガタは無く、常時当接した状態になる。

上型部材５５、下型部材５６、両分割胴型４１、４２、円筒型ベアリング部材４９は、それぞれタングステンカーバイト系超硬材料であり、熱膨張係数は５.０×１０^-6/Ｋである。これらの材料は上記の限りではなく、線膨張係数、高温耐久性、圧縮強度などを考慮して、窒化珪素等その他のセラミックや、タングステン系超重合金等でも良い。

図示しないが、両分割胴型４１、４２、上型部材５５および下型部材５６内にはそれぞれ加熱用ヒータが内設されており、それぞれ独立で温度制御できる。そして両分割胴型４１、４２、上型部材５５、下型部材５６には、それぞれ成形後の冷却手段としてＮ₂を吹き付けるため、導入管が配設されている。

次に、上記構造の光学素子の成形用型Ｅ₄を用いて、光学素子の成形方法について説明する。

まず、ガラス素材が、ハンドリング装置（不図示）に吸着された状態で、両分割胴型４１、４２の開口部を通して成形用型内空間であるキャビティ内に導入されて、下型部材５６の成形面５６ａ上に置かれる。このとき、ガラス素材の温度はガラス転移点温度である５０６℃以下である。

次に、不図示のガラス素材加熱装置を、前記投入時のガラス素材温度以上、（本実施例ではガラス素材の軟化点以上である８００℃）に保った状態で、両分割胴型４１、４２の開口部よりガラス素材側へ接近させて加熱する。それと同時に一方の分割胴型４１と上型部材５５と下型部材５６内のヒータ（不図示）により、上型部材５５と下型部材５６とが成形に最適な温度まで加熱する。たとえば、ガラスの粘度で logη＝８〜１０となる温度（本実施例では５８０℃）まで加熱する。

ガラス素材の温度と上型部材５５および下型部材５６が成形に適した温度、例えばガラス粘度で logη＝８〜１２の温度（本実施例では５８０℃）になったら、不図示の加熱装置を胴型部材開口部より退避させる。ついで、下型部材５６を不図示の直線駆動手段、例えば油圧や気圧によるピストン・シリンダ機構、あるいは電動シリンダ機構を使って上昇させ、ガラス素材を３０ＭＰａにてプレス成形する。このとき、両分割胴型４１、４２、円筒型ベアリング部材４９と上型部材５５および下型部材５６との間には温度差が生じている。特に円筒型ベアリング部材４９には加熱手段が無いため、温度が上型部材５５、下型部材５６、両分割胴型４１、４２より低い温度までしか上昇していない。この状態で、常温時に両分割胴型４１、４２をばね４５を備えたボルト４３およびナット４４（以下、「締結部材」という。）によって締結した締結部材が弾性変形しなければ、上型部材５５、下型部材５６、両分割胴型４１、４２および円筒型ベアリング部材４９に熱膨張の差によるガタが生じてしまう。しかし、締結部材が弾性変形した場合には、両分割胴型４１、４２と上型部材５５および下型部材５６とのガタ分を締結部材の弾性変形するばね４５で吸収し、常時当接した状態となる。

そして成形温度にて任意の形状までガラス素材をプレス成形した後、押圧力を１ＭＰａまで低下させ、冷却工程に入る。この冷却工程中に、成形品の面精度を向上させるためガラス転移点付近（本実施例では５４０℃〜４９０℃）で再度３０ＭＰａの押圧力で２次プレス成形を行う。このとき、両分割胴型４１、４２、円筒型ベアリング部材４９、上型部材５５、下型部材５６間には、プレス成形時とは異なる温度差が生じる。特に円筒型ベアリング部材４９は、両分割胴型４１、４２、上型部材５５、下型部材５６との接触面積が小さいため熱伝導による温度降下が起こりにくい。そのため、円筒型ベアリング部材４９は、上型部材５５、下型部材５６、両分割胴型４１、４２より高い温度となってしまう。この状態で、常温時に両分割胴型４１、４２を締結部材によって締結した締結部材が弾性変形しなければ、上型部材５５、下型部材５６、両分割胴型４１、４２および円筒型ベアリング部材４９に熱膨張量の差によりしまり嵌め状態になり、それぞれの部材を破損させてしまう可能性がある。しかし、締結部材が弾性変形した場合には円筒型ベアリング部材４９の温度差による両分割胴型４１、４２と上型部材５５、下型部材５６とがしまり嵌めになってしまう分を締結部材の弾性変形するばね部分で吸収する。そのため、それぞれの部材は破損せず、常時当接した状態となる。

その後、２次プレスを終えた後に、成形品を、不図示のハンドリング装置によって両分割胴型４１、４２の開口部よりキャビティ内から真空吸着させて取り出す。

この方法により得られた成形品は、平行偏心で２μｍ以下、光軸倒れで２０秒以下となり、さらに面精度についても規格値を満足することができた。また、デジタルコンパクトカメラのレンズの中でも光軸精度の要求の高いクラスであり、面精度の良いレンズを得ることができた。

このように、両分割胴型４１、４２を、締結させる力の反対方向にかかる１０Ｎ以上１００００Ｎ以下の範囲の力に対して弾性変形する弾性体を含む締結部材によって締結させて固定する。これにより、プレス成形時の上型部材５５、下型部材５６、両分割胴型４１、４２および円筒型ベアリング部材４９の温度差による嵌合のガタやしまり嵌め状態を吸収する。その結果、ガタのない上型部材および下型部材の摺動が可能となり、成形した成形品はきわめて高い光軸精度を有し、面精度も規格値を満足した成形品を得ることができる。

第５の実施例による光学素子の成形用型について説明する。図６ないし図８に示すように、成形用型Ｅ₅は、胴型が、第１の分割胴型６１、第２の分割胴型６２、第３の分割胴型６３とで構成されている。上型部材７５の一方の光学機能面を転写させるための成形面７５ａと、下型部材７６の他方の光学機能面を転写させるための成形面７６ａとは、凸メニスカスレンズ形状になっている。

光学素子は、転移点温度は５０６℃、屈服点温度５３８℃、軟化点温度は６０７℃の重クラウンガラスをプレス成形したものである。

上型部材７５および下型部材７６を接近および離間自在に挟持する胴型は、第１の分割胴型６１、第２の分割胴型６２および第３の分割胴型６３からなる。

図７に示すように、下型部材７６は球型ベアリング部材７９を介して一面で点接触している。また図６に示すように、上型部材７５は直接各基準面６１ａ、６２ａ、６３ａに線接触しており、この面は平面度１μｍ以内で形成されている。

なお、第１〜第３の分割胴型６１〜６３からなる胴型には、成形素材であるガラス素材および成形品をハンドリングするための開口部が設けられている。

そして、第１〜第３の分割胴型６１〜６３は、弾性変形するばね６５を備えたボルト６４、ナット６６からなる締結部材にて図６〜図８に示すように９箇所で、軸力２ＫＮ程度で１２０度回転対称な組み合わせで締結されている。また結合部には常温時に０．１ｍｍ程度の寸法の間隔が設けられている。

締結された状態では、上型部材７５、下型部材７６、第１〜第３の分割胴型６１〜６３および球型ベアリング部材７９にはガタは無く、常時当接した状態になる。その結果、上型部材７５、下型部材７６は光軸に平行偏心や倒れなどは無い状態で、成形素材をプレス成形する光軸方向に摺動可能となっている。

上型部材７５、下型部材７６、第１〜第３の分割胴型６１〜６３および球型ベアリング部材７９は、それぞれタングステンカーバイト系超硬材料からなり、熱膨張係数は５.０×１０^-6／Ｋである。ただし、これらの材料は上記の限りではなく、線膨張係数、高温耐久性、圧縮強度などを考慮して、窒化珪素等その他のセラミックや、タングステン系超重合金等でも良い。

また図示しないが、第１〜第３の分割胴型６１〜６３からなる胴型、上型部材７５、下型部材７６、内にはそれぞれ加熱用ヒータが内設されており、独立で温度制御している。

さらに、第１〜第３の分割胴型６１〜６３、上型部材７５および下型部材７６には、それぞれ成形後の冷却手段として窒素ガス（Ｎ₂）が導入管を通して、冷却時に吹き付けられるようになっている。

次に上記構造の光学素子の成形用型Ｅ₅
を用いて、実施する本発明の光学素子の成形方法について説明する。

成形素材であるガラス素材がハンドリング装置（不図示）に吸着された状態で、胴型の開口部を通ってキャビティ内に導入され、下型部材７６の成形面７６ａ上に置かれる。このとき、ガラス素材の温度はガラス転移点温度である５０６℃以下である。次に不図示のガラス素材加熱装置を、前記投入時のガラス素材温度以上、例えば、ガラス素材の軟化点以上である８００℃に保った状態で、胴型の開口部よりガラス素材上側へ近接させ加熱する。またそれと同時に胴型内、上型部材７５および下型部材７６内のヒータ（不図示）により、成形に最適な温度、たとえばガラスの粘度で logη＝８〜１０となる温度（本実施例では５８０℃）まで加熱する。

ガラス素材の温度、上型部材７５および下型部材７６が成形に適した温度、例えばガラス粘度で logη＝８〜１２の温度（本実施例では５８０℃）になったら、不図示の加熱装置を胴型部材開口部より退避させる。ついで、下型部材７６を不図示の駆動手段、例えば油圧や気圧によるピストン・シリンダ機構、あるいは電動シリンダ機構を使って上昇させ、ガラス素材を３０ＭＰａにてプレス成形する。このとき、胴型、球型ベアリング部材７９、下型部材７６との間には、温度差が生じる。特に球型ベアリング部材７９には加熱手段が無いため温度が上型部材７５および下型部材７６、第１〜第３の分割胴型６１〜６３より低い温度までしか上昇していない。この状態で、常温時に第１〜第３の分割胴型６１〜６３を締結部材によって締結した締結部材のばね部材６５が弾性変形しなければ、上型部材７５および下型部材７６、胴型および球型ベアリング部材７９に熱膨張の差によるガタが生じてしまう。しかし、ばね部材６５が弾性変形した場合には、球型ベアリング部材７９の温度差による第１〜第３の分割胴型６１〜６３と上型部材７５および下型部材７６とのガタ分をばね部材６５で吸収し、常時当接した状態となる。

そして成形温度にて任意の形状までガラス素材をプレス成形した後、プレス圧力を３ＭＰａまで低下させ、冷却工程に入る。この冷却工程中に、成形品の面精度を向上させるためガラス転移点付近、本実施例では５４０℃〜４９０℃の間で再度３０ＭＰａの圧力で２次プレス成形を行う。このとき、第１〜第３の分割胴型６１〜６３、球型ベアリング部材７９、上型部材７５および下型部材７６の間には、プレス成形時とは異なる温度差が生じる。特に球型ベアリング部材７９は、第１〜第３の分割胴型６１〜６３、上型部材７５および下型部材７６との接触面積が小さいため熱伝導による温度降下が起こりにくい。そのため、上型部材７５および下型部材７６、第１〜第３の分割胴型６１〜６３より高い温度となってしまう。この状態で、常温時に第１〜第３の分割胴型６１〜６３を弾性変形するばね部材６５、ボルト６４およびナット６６（以下、「締結部材」という。）によって締結した締結部材が弾性変形しなければ、上型部材７５および下型部材７６、第１〜第３の分割胴型６１〜６３球型、ベアリング部材７９は熱膨張の差によりしまり嵌め状態になり、破損させてしまう可能性がある。しかし、締結部材が弾性変形した場合には、球型ベアリング部材７９の温度差による第１〜第３の分割胴型６１〜６３、上型部材７５および下型部材７６とがしまり嵌めになってしまう分を締結部材の弾性変形するばね６５で吸収する。このため、それぞれの部材は破損せず、常時当接した状態となる。

その後、２次プレスを終えた後に下型部材７６を下降させ、成形品を、不図示のハンドリング装置によって第１〜第３の分割胴型６１〜６３の開口部より真空吸着させてキャビティから取り出す。

得られた成形品は、平行偏心で２μｍ以下、光軸倒れで２０秒以下となる。さらに面精度についても規格値を満足し、第４の実施例よりも良くすることができ、デジタルコンパクトカメラのレンズの中でも光軸精度の要求の高いクラスであり、面精度の良いレンズを得ることができた。

このように、３部材の第１〜第３の分割胴型６１〜６３を、締結させる力の反対方向にかかる１０Ｎ以上１００００Ｎ以下の範囲の力に対して弾性変形する弾性体を含む締結部材によって、締結させて固定する。その結果、プレス成形時の上型部材７５および下型部材７６、第１〜第３の分割胴型６１〜６３および円筒型ベアリング部材７９の温度差による嵌合のガタやしまり嵌め状態を吸収する。その結果、ガタのない成形用型の摺動が可能となり、さらに第４の実施例に比べ軸に対して非対称な温度分布も起こりにくくなる。この成形型にて成形した成形品はきわめて高い光軸精度を有し、面精度も規格値を満足し、さらに第４の実施例よりも良い光学素子を得ることができる。

本発明は、上述した各実施例に限らない。例えば、取り個数においても多数個取りへの展開も可能であり、さらに適用される型の材質や熱膨張係数の大小関係、型セットの内部と外部の温度関係においてもさまざまな場合に適用できる。例えばセラミックスの型材を使用したり、加熱源や冷却源が上型部材または下型部材の内部にある場合にも適用できる。

本発明の第１の実施例による光学素子の成形用型を示し、（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿う模式横断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う模式縦断面図である。本発明の第２の実施例による光学素子の成形用型の図１の（ａ）と同様の模式横断面図である。本発明の第３の実施例による光学素子の成形用型の図１の（ａ）と同様の模式横断面図である。本発明の第４の実施例による光学素子の成形用型の図１の（ａ）と同様の模式横断面図である。本発明の第４の実施例による光学素子の成形用型の図１の（ｂ）と同様の模式縦断面図である。本発明の第５の実施例による光学素子の成形用型の上型部材側の模式横断面図である。本発明の第５の実施例による光学素子の成形用型の下型部材側の模式横断面図である。本発明の第５の実施例による光学素子の成形用型の模式縦断面図である。従来の光学素子の成形用型の模式縦断面図である。図９に示す光学素子の成形用型の模式横断面図である。

符号の説明

１、２１、３１、４１一方の分割胴型
１ａ、２１ａ、３１ａ、４１ａ基準面
１ｂ、２ｂ、２１ｂ、２２ｂ、３１ｂ、３２ｂ、４１ｂ、４２ｂ結合部
１ｃ、２ｃ調整部
２、２２、３２、４２他方の分割胴型
２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ基準面
３、２３、３３、４３、６４ボルト
４、２４ロックナット
５、５５、７５上型部材
５ａ、６ａ、５５ａ、５６ａ、７５ａ、７６ａ成形面
５ｂ、６ｂつば部
６、５６、７６下型部材
９コロ
１０リテーナ
１１、４９、７９ベアリング
２５、４５、６５ばね
３４熱膨張部材
４４、６６ナット
６１第１の分割胴型
６２第２の分割胴型
６３第３の分割胴型
６１ａ、６２ａ、６３ａ基準面
６１ｂ、６２ｂ、６３ｂ結合部

Claims

光学機能面を転写させるための成形面を有する上型部材と、光学機能面を転写させるための成形面を有する下型部材と、お互いの前記成形面を相対させた前記上型部材および前記下型部材を、接近および離間自在に案内する胴型とを備えており、加熱軟化させたガラス素材を前記上型部材と前記下型部材との間に配置してプレス成形する光学素子の成形用型において、
前記胴型は、少なくとも２個の分割胴型からなっており、各分割胴型はそれぞれの両側端に形成された結合部においてお互いが締結部材により結合されており、前記胴型は前記締結部材により、前記上型部材および前記下型部材を締め付けて保持しており、
前記締結部材による前記各分割胴型の結合に対して、前記胴型による前記上型部材および前記下型部材に対する締め付け力を調整する調整手段を有し、前記調整手段は、前記分割胴型における前記上型部材および前記下型部材を保持する部位と、前記結合部との間に形成され、他の部位に比べて剛性の低い弾性変形する部位からなること、を特徴とする光学素子の成形用型。