JP4786387B2 - 複合光学素子の製造方法及びその成形用金型 - Google Patents

Description

本発明は、ベースとなる基材側の光学素子に加熱軟化した成形素材を一体的に接合する複合光学素子の製造方法及びその成形用金型に関する。

複合光学レンズ等の複合光学素子は、ベースとなる光学レンズの光学面に例えばガラス層を形成し、全体として収差補正の性能を向上させたものであり、この複合光学素子は、単一の光学レンズでは得られない優れた性能を有することから、例えば撮影光学系を有するカメラや、顕微鏡、内視鏡等の医療機器の分野において重用されている。

従来、この種の複合光学素子として、例えば特許文献１に記載された技術が知られている。この特許文献１では、ガラスからなる基材レンズ、ガラス層形成用の成形素材の外径を高精度で仕上げ、基材レンズと成形素材を段付きのリング状部材にきっちりと挿入する点が開示されている。

すなわち、ガラス層形成用の成形素材として、基材レンズのガラス転移点よりも低い材質を用い、加熱室でリング状部材とともに基材レンズとガラス層形成用の成形素材を基材レンズのガラス転移点よりも低い温度に加熱して、成形用型で成形素材を加圧成形している。

この成形の際、リング状部材に上型を挿入して、基材レンズと下型との心出しを行い、成形後に冷却して取り出せば、基材レンズにガラス層の成形素材（成形レンズ）が一体化された複合光学素子が得られる。この方法で得られた複合光学素子は、基材レンズと成形レンズの偏心が抑制されたものとなっている。

また、特許文献２には、周方向の一部にスリットが形成された金属製の不連続環状枠体を用い、その内側に光学素子をモールドした点が開示されている。この不連続環状枠体は、常温下でその内径を、成形されるガラス光学素子の冷却後における予定外径よりも小さく設定している。

そして、この不連続環状枠体を上型と下型の成形面の周囲に配置し、成形素材を上型と下型の間に配置して、この成形素材が加熱軟化後に成形している。この成形で押し潰された成形素材の外周は、不連続環状枠体を押し広げながらその内面と密着する。冷却後は、不連続環状枠体の弾性によって、成形されたガラス光学素子が確実に保持された状態となる。この方法では、金属製の枠体にガラス光学素子が成形されて一体化され、成形後の心出し作業を不要にしている。
特開平１０−４５４１９号公報（第１６頁、図９） 特開平９−２２１３３２号公報（第２頁、図１）

しかしながら、特許文献１では、リング状部材と基材レンズ、及びリング状部材と上型との間にはクリアランスが残っていて、このクリアランスの分だけ部材同士の位置が変動する。このため、基材レンズとガラス層の成形レンズとの間の偏心をクリアランス以内に抑制することは困難である。これに加えて、一般的に金属材料はガラス材料よりも熱線膨張係数が大きい。

このため、常温時では、金属製のリング状部材とガラス基材との間のクリアランスが狭い状態にあっても、加熱された高温時ではクリアランスが広がってしまう。このクリアランスの広がりによって、抑制可能な偏心量の範囲も広がることになる。一方、前記クリアランスを極端に狭くすると、挿入が困難になり、作業性が悪くなる。

また、特許文献２では、複合光学素子ではなく単体レンズに適用した場合が開示されているが、成形素材が不均一に広がる場合、不連続環状枠体との密着状態が不均一になり、偏心が抑制されない。また、複合光学素子への適用を考えた場合、成形レンズと不連続環状枠体との偏心を抑制できても、基材レンズと成形レンズの偏心までは抑制することが困難である。更に、得られる複合光学素子には、要不要に関わらず、不連続環状枠体が付属することになる。

更に、一般的に、基材側の光学素子の接合面側が平面又は凸形状である場合は、成形素材を載置したときに滑ったり、転がったりして中央位置に正確に位置決めすることが困難となる。そして、成形素材が正確に位置決めされないまま成形すると、品質不良を誘発することになる。

本発明は、斯かる課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、組み付け時の作業性を損なうことなく偏心を抑制できる複合光学素子の製造方法及びその成形用金型を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、
基材側の光学素子の一方の光学面と、これに対向する金型の成形面との間に成形素材を配置し、これら光学素子と成形素材を所定の成形温度に加熱して押圧し、前記光学素子の一方の光学面に前記成形素材を一体的に接合する複合光学素子の製造方法において、
前記光学素子は、前記成形素材よりも屈服点、又はガラス転移点が高く、
前記金型を嵌挿するスリーブ型に内挿され、このスリーブ型の内周面と前記光学素子の外周面との間に配置されて該光学素子の位置を規制する位置規制部材を有し、
該位置規制部材および前記光学素子のうちの少なくとも一方は、前記スリーブ型の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有し、
前記位置規制部材は、その外接円の周方向の一部に形成されたスリットを有し、
前記光学素子と前記成形素材の加熱を開始すると、前記スリットの幅が広がり前記スリーブ型の内周面の直径と前記位置規制部材の外接円との直径の差が小さくなり、前記位置規制部材の外径と前記スリーブ型の内周面とが密接する、ことを特徴とする。

上記の複合光学素子の製造方法において、
前記位置規制部材の外周部の少なくとも一部の幅は、前記位置規制部材の内接円と外接円との間の領域の幅よりも狭くすることが可能である。

上記の複合光学素子の製造方法において、
前記位置規制部材の外周部は、該外周部の内側および外側を多角形とした形状を、該外周部の各辺の中央部の幅が、該各辺の両端部の幅よりも狭くなるようにした形状である。

上記の複合光学素子の製造方法において、
前記位置規制部材は、前記スリーブ型の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有し、
加熱時に、熱膨張した前記位置規制部材の外周部が前記スリーブ型の内周面に当接して弾性変形し、該位置規制部材が前記光学素子の外周面を挟持し、前記スリーブ型の内周面の中心軸と該光学素子の外周面の中心軸とが略一致するようにした。

上記の複合光学素子の製造方法において、
前記位置規制部材は、前記光学素子の線膨張係数よりも小さな線膨張係数を有し、
加熱時に、熱膨張した前記光学素子の外周面が前記位置規制部材の内周部に当接して弾性変形し、該位置規制部材が前記スリーブ型の内周面に密接し、前記スリーブ型の内周面の中心軸と該光学素子の外周面の中心軸とが略一致するようにした。

上記の複合光学素子の製造方法において、
前記位置規制部材の前記スリットの幅ΔＬと、前記スリーブ型の内周面の直径と前記位置規制部材の外接円との直径の差ΔＤは、前記位置規制部材の外接円の直径をＤｒ、前記位置規制部材の線膨張係数をαｒ、前記スリーブ型の線膨張係数をαｓ、成形温度をＴｍとしたとき、
ΔＬ ≧ ３．１４×Ｄｒ×Ｔｍ×（αｒ−αｓ）
ΔＤ ≦ Ｄｒ×Ｔｍ×（αｒ−αｓ）
の関係を有することが可能である。

上記の複合光学素子の製造方法において、
前記光学素子の外周面の直径と前記位置規制部材の内接円の直径との差ΔＤ’は、前記
光学素子の外周面の直径Ｄ１、前記位置規制部材の線膨張係数をαｒ、前記光学素子の線膨張係数をα１、成形温度をＴｍとしたとき、
ΔＤ’ ≦ Ｄ１×Ｔｍ×（α１−αｒ）
の関係を有することが可能である。

また、本発明は、
基材側の光学素子の一方の光学面と、該一方の光学面に対向する金型の成形面との間に成形素材を配置し、これら光学素子と成形素材を所定の成形温度に加熱して押圧し、前記光学素子の一方の光学面に前記成形素材を一体的に接合する複合光学素子の成形用金型において、
前記金型を嵌挿するスリーブ型と、
該スリーブ型に内挿され、該スリーブ型の内周面と前記光学素子の外周面との間に配置されて前記光学素子の位置を規制する位置規制部材と、を備え、
前記光学素子は、前記成形素材よりも屈服点、又はガラス転移点が高く、
前記位置規制部材および前記光学素子のうちの少なくとも一方は、前記スリーブ型の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有し、
前記位置規制部材は、その外接円の周方向の一部に形成されたスリットを有し、
前記光学素子と前記成形素材の加熱を開始すると、前記スリットの幅が広がり前記スリーブ型の内周面の直径と前記位置規制部材の外接円との直径の差が小さくなり、前記位置規制部材の外径と前記スリーブ型の内周面とが密接する、ことを特徴とする。

上記の複合光学素子の成形用金型において、
前記位置規制部材の外周部の少なくとも一部の幅は、前記位置規制部材の内接円と外接円との間の領域の幅よりも狭くすることが可能である。

上記の複合光学素子の成形用金型において、
前記位置規制部材の外周部は、該外周部の内側および外側を多角形とした形状を、該外周部の各辺の中央部の幅が、該各辺の両端部の幅よりも狭くなるようにした形状である。

上記の複合光学素子の成形用金型において、
前記位置規制部材は、前記スリーブ型の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有し、
加熱時に、熱膨張した前記位置規制部材の外周部が前記スリーブ型の内周面に当接して弾性変形し、該位置規制部材が前記光学素子の外周面を挟持し、前記スリーブ型の内周面の中心軸と該光学素子の外周面の中心軸とが略一致するようにした。

上記の複合光学素子の成形用金型において、
前記位置規制部材は、前記光学素子の線膨張係数よりも小さな線膨張係数を有し、
加熱時に、熱膨張した前記光学素子の外周面が前記位置規制部材の内周部に当接して弾性変形し、該位置規制部材が前記スリーブ型の内周面に密接し、前記スリーブ型の内周面の中心軸と該光学素子の外周面の中心軸とが略一致するようにした。

上記の複合光学素子の成形用金型において、
前記位置規制部材の前記スリットの幅ΔＬと、前記スリーブ型の内周面の直径と前記位置規制部材の外接円との直径の差ΔＤは、前記位置規制部材の外接円の直径をＤｒ、前記位置規制部材の線膨張係数をαｒ、前記スリーブ型の線膨張係数をαｓ、成形温度をＴｍとしたとき、
ΔＬ ≧ ３．１４×Ｄｒ×Ｔｍ×（αｒ−αｓ）
ΔＤ ≦ Ｄｒ×Ｔｍ×（αｒ−αｓ）
の関係を有することが可能である。

上記の複合光学素子の成形用金型において、
前記光学素子の外周面の直径と前記位置規制部材の内接円の直径との差ΔＤ’は、前記
光学素子の外周面の直径Ｄ１、前記位置規制部材の線膨張係数をαｒ、前記光学素子の線膨張係数をα１、成形温度をＴｍとしたとき、
ΔＤ’ ≦ Ｄ１×Ｔｍ×（α１−αｒ）
の関係を有することが可能である。

本発明によれば、組み付け時の作業性を損なうことなく偏心を高精度で抑制可能な複合光学素子を得ることができる。また、構成部品が増加することもないため、製造コストを抑制することができる。更に、成形素材の不均一な広がりを防止することができ、安定した品質で製造することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１〜図４は、メニスカス形状の基材レンズ２４に成形レンズ２５'（図４参照）を一体化して複合レンズ１８（図４参照）を得るときの実施の形態を示している。なお、複合レンズの外径サイズに制約はないが、実用的には外径２０ｍｍ以下とするのが好ましい。本実施形態では、複合レンズは外径１０ｍｍ、中心肉厚３ｍｍとした。但し、複合レンズの形状及び寸法はこれらのものに限定されない。

図１は、成形装置１０の概略構成を示している。この成形装置１０は、上下に対向配置された下側プレート１１及び上側プレート１２と、上側プレート１２を下側プレート１１に向けて押圧する加圧装置１３を有している。下側プレート１１は、基台１４上に載置されている。また、下側プレート１１と上側プレート１２との間には、成形用金型としての金型組立体１５が配置されている。更に、下側プレート１１と上側プレート１２の内部には夫々複数のヒータ１６，１７が内蔵されている。

これらのヒータ１６，１７として、本実施形態ではカートリッジヒータを採用しているが、下側プレート１１と上側プレート１２に内蔵する以外にも、例えば金型組立体１５の側面に配置しても構わない。本実施形態では、金型組立体１５は、下側プレート１１と上側プレート１２に内蔵されたヒータ１６，１７により上下両側から加熱される。また、金型組立体１５は下側プレート１１と上側プレート１２に挟まれた状態で、加圧装置１３により加圧される。

図２（ａ）（ｂ）は、金型組立体１５の常温時の組み立て状態の構成を示す図、図３（ａ）（ｂ）は、金型組立体１５の加熱時の成形状態の構成を示す図、図４は、成形で得られた複合レンズ１８を示している。

金型組立体１５は、対向配置された下型２０及び上型２１と、これらを嵌挿する円筒状のスリーブ２２、このスリーブ２２内に挿入されて下型２０上に載置された位置規制部材２３で構成されている。下型２０及び上型２１は、スリーブ２２の両端側から、夫々の成形面２０ａと成形面２１ａが対向するように嵌挿され、上型２１はスリーブ２２の軸方向に摺動自在とされている。

また、光学素子としての基材レンズ２４の一方の光学面２４ａと、これに対向する上型２１の成形面２１ａとの間には球状の成形素材２５が配置されている。更に、下型２０には、基材レンズ２４を下方から支持するための支持面２０ａ、及びその周囲で位置規制部材２３を載せるための載置面２０ｂが形成されている。支持面２０ａは、基材レンズ２４の他方の光学面（一方の光学面２４ａの反対側の面）に対応した近似形状を有している。

なお、図示していないが、下型２０の支持面２０ａとして、例えば下型２０の中心軸に沿って中空部を設け、基材レンズ２４の外周部のみを支持するようにしてもよい。また、上型２１の成形面２１ａには光学的な鏡面処理が施されている。

そして、上型２１と下型２０はスリーブ２２に嵌挿された状態で、スリーブ２２の内径中心軸に対して、上型２１の成形面２１ａの中心軸及び下型２０の支持面２０ａの中心軸が一致するように仕上げられている。

上型２１、下型２０、及びスリーブ２２の材料としては、炭化タングステンなどの合金が使用される。また、位置規制部材２３としては、耐熱性がありかつスリーブ２２よりも大きい線膨張係数を有するステンレスなどが用いられる。

基材レンズ２４はメニスカス形状のガラスレンズである。但し、メニスカス形状以外にも、表裏面のいずれか一方に凹形状を有するものであれば使用可能である。基材レンズ２４は、中心軸が各光学面の光軸と一致するように、高精度に仕上げられている。成形素材２５はボール形状のガラス素材である。但し、成形素材２５の形状はボール形状以外にも、近似形状あるいは平行平板形状としてもよい。基材レンズ２４及び成形素材２５の材料は、ガラス以外の例えば熱可塑性樹脂で代用してもよい。

但し、基材レンズ２４の材料と成形素材２５の材料の組み合わせに関して、成形上の制約がある。そして、その組み合わせは次の条件を満足する範囲で選定する。基材レンズ２４のガラスは、成形素材２５のガラスよりも屈伏点あるいはガラス転移点が高いものを選ぶ。更に、両者の熱線膨張係数αがほぼ一致するものを選ぶ。

本実施形態では、例えば、次のような組み合わせを選んでいる。
基材レンズ２４の屈伏点Ａｔ_１と熱線膨張係数α_１
Ａｔ_１＝５８６℃
α_１＝９５×１０^−７℃^−１
成形素材２５の屈伏点Ａｔ_２と熱線膨張係数α_２
Ａｔ_２＝５４９℃
α_２＝７１×１０^−７℃^−１
位置規制部材２３は、図２（ｂ）に示すように、中央側の開口部２６とこれに連通するスリットとしての切り込み部２７が設けられた略Ｃ字形状をなしている。この位置規制部材２３は、スリーブ２２に挿入可能なように外径が調整されている。また、開口部２６は、その内側に基材レンズ２４が挿入可能なように内径が調整されている。更に、位置規制部材２３は、その外径の中心軸と内径の中心軸とが一致するよう高精度に仕上げられている。

位置規制部材２３の材料は、耐熱性があり、スリーブ２２の熱線膨張係数αｓよりも大きな熱線膨張係数αｒを有する材料が使用される。ここではステンレス鋼を使用するものとする。なお、この材料以外にも、アルミニウム合金、銅合金、ニッケル合金、セラミックスなどを使用してもよい。また、位置規制部材２３の切り込み部２７の幅ΔＬ、及びスリーブ２２の内径と位置規制部材２３の外径との隙間ΔＤは、次の条件を満足させる関係にある（図２（b）参照）。

ΔＬ ≧ ３．１４×Ｄｒ×Ｔｍ×（αｒ−αｓ）
ΔＤ ≦ Ｄｒ×Ｔｍ×（αｒ−αｓ）
ただし、位置規制部材２３の最外径をＤｒ、位置規制部材２３の熱線膨張係数をαｒ、スリーブ２２の熱線膨張係数をαｓ、成形温度をＴｍとする。

本実施形態では、次のようにしている。
Ｄｒ＝２０ｍｍ
αｒ＝１７０×１０^-7℃^-1
αｓ＝５０×１０^-7℃^-1
Ｔｍ＝５７０℃
として、
ΔＬ ≧ ０．４３ｍｍ
ΔＤ ≦ ０．１４ｍｍ
となる。一例として、ΔＬ＝２ｍｍ、ΔＤ＝０．０３ｍｍに設定した。

次に、上記構成の金型組立体１５を用いた複合レンズ１８の製造方法を説明する。
図２（ａ）（ｂ）に示すように、金型組立体１５の組立工程では、まず下型２０をスリーブ２２に嵌挿する。位置規制部材２３をスリーブ２２に挿入して、下型２０の載置面２０bに載せる。なお、図示しないが、位置規制部材２３が軸方向に変位するのを防止する押え部材を配置してもよい。

次に、基材レンズ２４を位置規制部材２３の開口部２６に挿入し、これを下型２０の支持面２０ａ上に配置する。基材レンズ２４の一方の光学面２４ａ（凹面）上には成形素材２５を載せる。この時、成形素材２５はボール形状を有しているため、重力によって基材レンズ２４の中央に移動して静止する。次に、上型２１をスリーブ２２に挿入し、上型２１と下型２０とで基材レンズ２４と成形素材２５を挟み込む。

次に、図３（ａ）（ｂ）に示すように、金型組立体１５の加熱工程では、金型組立体１５を成形装置１０の下側プレート１１と上側プレート１２の間に設置し、成形素材２５をその成形温度まで加熱させる。この加熱によって、位置規制部材２３が熱膨張する。この位置規制部材２３は、その熱線膨張係数αｒがスリーブ２２の熱線膨張係数αｓよりも大きいため、スリーブ２２の熱膨張よりも大きな熱膨張が発生する。

また、位置規制部材２３の外径とスリーブ２２の内径との隙間ΔＤが、予め所定量以下に設定されているため、加熱により位置規制部材２３の外径がスリーブ２２の内周面に当接するようになる。位置規制部材２３は、その外径の熱膨張がスリーブ２２の内径で規制され、弾性効果によって切り込み部２７の幅ΔLが小さくなる方向へ変形し始める。

この変形が進行すると、位置規制部材２３の開口部２６の内径が小さくなり、基材レンズ２４の外径とのクリアランスが狭まる。この場合、予め開口部２６の内径と基材レンズ２４の外径との差を調整しておく。そして、変形が完了した時点で、開口部２６の内径が基材レンズ２４を軽く押さえつけるようにする。この状態で、位置規制部材２３の開口部２６の内径中心軸がスリーブ２２の内径中心軸と一致することで、基材レンズ２４の外径中心軸はスリーブ２２の内径中心軸と一致する。

更に、図３（ａ）（ｂ）において、成形素材２５の成形工程では、成形素材２５が成形温度に加熱されて軟化状態になる。基材レンズ２４は、このときの成形温度よりも屈伏点が高いため軟化しない。次いで、上型２１を下型２０に向けて移動させて成形素材２５を加圧することで、上型２１と基材レンズ２４で挟まれた成形素材２５が押し潰され、成形が進行する。

このとき、図４に示すように、成形素材２５は変形しながら、上型２１の成形面２１ａが転写されて成形レンズ２５'が形成されると共に、この成形レンズ２５'が基材レンズ２４との境界面２８で接合される。次に、金型組立体１５を冷却して、成形レンズ２５'を上型２１から離型させれば、成形レンズ２５'と基材レンズ２４とが一体化した複合レンズ１８が得られる。

この場合、成形工程で上型２１の成形面２１ａの中心軸と基材レンズ２４の外径中心軸とが一致するため、複合レンズ１８は成形レンズ２５'の中心軸が基材レンズ２４の外径中心軸と一致するものになっている。なお、成形後は位置規制部材２３と複合レンズ１８とは分離する。

本実施の形態によれば、金型組立体１５を組み立てる際、それぞれの部材には所定の隙間が設けられているため、作業性が損なわれない。また、加熱時の位置規制部材２３の作用によって、基材レンズ２４の外径中心軸が上型２１の成形面２１ａの中心軸と一致する。このため、成形で得られる複合レンズ１８内の偏心が抑制される。こうして、安定した品質の複合レンズ１８を得ることができる。
（変形例）
図５〜図８は、位置規制部材としてＣ字型形状以外のものを用いた場合の変形例を示している。なお、基本的な内容は第１の実施の形態と同様であるため、相違点のみを以下に説明する。

図５に示すように、この位置規制部材１２３は、多角形の開口部１２６と切れ込み部１２７を有している。同図は多角形として正六角形タイプの例を示している。また、図６に示すように、この位置規制部材２２３は、多角形の開口部２２６と切れ込み部２２７を有している。同図６は、多角形として正方形タイプの例を示している。

この図５及び図６において、位置規制部材１２３，２２３の最外径は外側の多角形の各頂点を結ぶ外接円になり、最内径は内側の多角形の各辺に接する内接円になる。図５のタイプは外周部の辺の幅ｗがほぼ均等であるが、図６のタイプは各辺の中央部の幅ｗを狭くしている。このように、各辺の中央部の幅ｗを狭くすることで、弾性変形する際に発生する荷重を軽減することができる。

更に、図７は、位置規制部材３２３として環状の一部を切断し、その端部を重ね合わせたものを示している。なお、多角形の一部を切断し、その端部を重ね合わせたものを用いても良い。この位置規制部材３２３には、円形の開口部３２６と重ね合せ部３２７が設けられている。

図８には、他の位置規制部材４２３として、外径の中心軸４００を含む面４０１に対称なものを示している。同図では、環状の一部を中心軸に対して切断した本体部４２３ａを連結部４２３ｂで連結した面対称な位置規制部材４２３の例を示している。

以上の変形例において、位置規制部材１２３〜４２３の形状等が次の条件を満足するようにする。
位置規制部材１２３〜４２３の最外径は、スリーブ２２に挿入可能なように大きさが調整されている。開口部１２６〜４２６は、その内側に基材レンズ２４が挿入可能なように最内径の大きさが調整されている。さらに、位置規制部材１２３〜４２３は、その最外径中心軸と開口部１２６〜４２６の最内径中心軸が一致するように仕上げられている。

位置規制部材１２３〜４２３の材料は、耐熱性があり、スリーブの熱線膨張係数αｓよりも大きい熱線膨張係数αｒを有する材料が使用される。この変形例ではステンレス鋼を使用する。但し、アルミニウム合金、銅合金、セラミックスなどを使用してもよい。位置規制部材１２３〜４２３の切れ込み部１２７等の幅ΔＬ、及びスリーブ２２の内径と位置規制部材１２３〜４２３の最外径との隙間ΔＤは、次の条件を満足するものである。

ΔＬ ≧ ３．１４×Ｄｒ×Ｔｍ×（αｒ−αｓ）
ΔＤ ≦ Ｄｒ×Ｔｍ×（αｒ−αｓ）
ここで、位置規制部材１２３〜４２３の最外径をＤｒ、位置規制部材１２３〜４２３の熱線膨張係数をαｒ、スリーブ型の熱線膨張係数をαｓ、成形温度をＴｍとする。なお、重ね合せ部３２７を有する図７及び図８のタイプではΔＤの条件のみを満足させる。

本変形例によれば、作業性を低下させることなく、複合レンズ内の偏心を抑制することができる。加えて、図５及び図６の位置規制部材１２３、２２３では、Ｃ字型のものよりも外周部の幅を狭くできるため、弾性変形しやすくなり、よって、スリーブ２２の耐久性が向上する。

図７の位置規制部材３２３では、ワッシャと同様の製造工程で加工することができるため、加工費を抑えることができる。
図８の位置規制部材４２３では、構成部材の量が少なくなるため、弾性変形しやすいという効果と共に、部材の使用量を少なくすることができる。したがって、スリーブ２２の耐久性が向上するとともに、位置規制部材のコストを抑えることができる。
（第２の実施の形態）
図９（ａ）（ｂ）〜図１１は、両凸形状の基材レンズ２４に成形レンズ２５'（図１１参照）を一体化して複合レンズを得るときの実施の形態を示している。なお、基本的には第１の実施の形態と同様であり、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、基材レンズ２４としては、成形素材２５との境界面側が曲率半径の大きい凹面、平面、又は凸形状のものを用いるのが好ましい。更に、成形素材２５は、ボール形状、近似形状、平行平板形状等のガラス素材を用いることができる。

金型組立体１５は、第１の実施の形態と同様に、対向配置された下型２０及び上型２１と、これらを嵌挿する円筒状のスリーブ２２、このスリーブ２２内に挿入されて下型２０上に載置された位置規制部材２３を有している。下型２０及び上型２１は、スリーブ２２の両端側から、夫々の支持面２０ａと成形面２１ａが対向するように嵌挿され、上型２１はスリーブ２２の軸方向に摺動自在とされている。

下型２０には基材レンズ２４を支持するための支持面２０ａ、及び位置規制部材２３を載せるための載置面２０ｂが設けられている。支持面２０ａは基材レンズ２４の他方の光学面に対応した近似形状を有している。また、上型２１の成形面２１ａには光学的な鏡面処理が施されている。

この場合、上型２１と下型２０はスリーブ２２に嵌挿された状態で、スリーブ２２の内径中心軸に対して、上型２１の成形面２１ａの中心軸及び下型２０の支持面２０ａの中心軸が一致するように仕上げられている。また、下型２０の支持面２０ａ上には、光学材料としての基材レンズ２４が配置され、この基材レンズ２４の一方の光学面２４ａと上型２１の成形面２１ａとの間には、球状の成形素材２５が配置されている。

上型２１、下型２０、スリーブ２２の材料としては、炭化タングステンなどの合金が使用される。また、位置規制部材２３としては、耐熱性がありかつスリーブ２２よりも大きい線膨張係数を有するステンレスなどが用いられる。

本実施の形態では、成形素材２５の位置出しを行うための複数の位置出し部材３０を有している。そして、スリーブ２２には、予め、その側面に複数の貫通孔３１を設けておく。この貫通孔３１は、位置出し部材３０が挿入可能な大きさで、組み立て状態において、成形素材２５が配置される高さと略同じ位置に設けられる。貫通孔３１の数は少なくとも２個設ければ良いが、安定性を考慮すると３個以上設けるのが好ましい。図９（ａ）（ｂ）では４個の貫通孔３１を設けた例を示している。

位置出し部材３０は、棒状の形状であり軸方向の一端に膨大部３０ａを有している。この位置出し部材３０の長さ、特に、成形素材２５に近接する側の端部から膨大部３０ａまでの寸法は、成形素材２５を上型２１及び下型２０の中心軸に略一致して位置決め保持できるよう、高精度に仕上げられている。また、この位置出し部材３０の成形素材２５に近接する側の断面は、円形又は角形等で、その大きさは成形素材２５よりも小さめに設定しておく。更に、位置出し部材３０の材料は寸法精度を確保できる材料、例えば、金属、セラミックス、樹脂等を用いている。

次に、本実施の形態の金型組立体１５を用いた複合レンズ１８の製造方法を説明する。
図９（ａ）（ｂ）に示すように、金型組立体１５において、基材レンズ２４を支持面２０ａの上に配置しておく。本実施の形態では、基材レンズ２４が両凸形状を有しているため、成形素材２５を配置する際、非常に不安定な状態になる。そこで、成形素材２５の配置状態を安定化させるため、４本の位置出し部材３０をスリーブ２２側面の各貫通孔３１に挿入する。成形素材２５は、各位置出し部材３０で構成された中央部の空間に落とし込む。位置出し部材３０をさらに押し込むことで、成形素材２５が位置出しされ、基材レンズ２４の上の中央部に配置される。

次に、加熱、成形工程では、図１０において、上型２１をスリーブ２２に挿入し、下型２０と上型２１の間に基材レンズ２４と成形素材２５を挟み込んだ状態にする。挟み込みによって基材レンズ２４と成形素材２５が保持されたことを確認して、各位置出し部材３０を静かに外側に退避させながら抜き取る。加熱工程では、成形素材２５が成形温度に加熱されて軟化状態になる。基材レンズ２４は、このときの成形温度よりも屈伏点が高いため軟化しない。

次いで、成形工程では、上型２１を下型２０に向けて移動させて成形素材２５を加圧することで、上型２１と基材レンズ２４で挟まれた成形素材２５が押し潰され、成形が進行する。

なお、図示していないが、次の成形工程において上型２１の下降に伴い、自動的に位置出し部材３０を退避させる退避機構を設けておいてもよい。
金型組立体１５の加熱工程、および、成形工程を完了すると、図１１に示すように、成形レンズ２５'と基材レンズ２４とが境界面２８で一体化した複合レンズ１８が得られる。このとき、成形段階で上型２１の成形面２１ａの中心軸と基材レンズ２４の外径中心軸とが一致するため、複合レンズ１８は成形レンズ２５'の中心軸が基材レンズ２４の外径中心軸と一致するものになっている。

本実施形態によれば、金型組立体１５を組み立てる際、それぞれの部材には所定の隙間が設けられているため、作業性が損なわれない。また、加熱時の位置規制部材３０の作用によって、基材レンズ２４の外径中心軸が上型２１の成形面２１ａの中心軸と一致する。そのため、成形で得られる複合レンズ１８内の偏心が抑制される。

成形素材２５は、位置出し部材３０で基材レンズ２４上の中央部に配置することができるため、片寄りの非常に少ない成形レンズ２５'が得られる。上記製造方法および金型組立体１５を使用することで、安定した品質の複合レンズ１８を得ることができる。
（第３の実施の形態）
図１２（ａ）（ｂ）〜図１３（ａ）（ｂ）は、位置規制部材２３'として基材レンズ２４よりも小さな線膨張係数を有する材料を用い、基材レンズ２４に成形レンズ２５を一体化して複合レンズを得るときの実施の形態を示している。図示していないが、本実施の形態は第２の実施の形態へも応用が可能である。なお、基本的には第１の実施の形態と同様であり、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。

金型組立体１５は、第１の実施の形態と同様に、対向配置された下型２０及び上型２１と、これらを嵌挿する円筒状のスリーブ２２、このスリーブ２２内に挿入されて下型２０上に載置された位置規制部材２３'を有している。下型２０及び上型２１は、スリーブ２２の両端側から、夫々の支持面２０ａと成形面２１ａが対向するように嵌挿され、上型２１はスリーブ２２の軸方向に摺動自在とされている。

下型２０には基材レンズ２４を支持するための支持面２０ａ、及び位置規制部材２３'を載せるための載置面２０ｂが設けられている。支持面２０ａは基材レンズ２４の他方の光学面に対応した近似形状を有している。また、上型２１の成形面２１ａには光学的な鏡面処理が施されている。上型２１、下型２０、スリーブ２２の材料としては、炭化タングステンなどの合金が使用される。

上型２１と下型２０はスリーブ２２に嵌挿された状態で、スリーブ２２の内径中心軸に対して、上型２１の成形面２１ａの中心軸及び下型２０の支持面２０ａの中心軸が一致するように仕上げられている。また、下型２０の支持面２０ａ上には、光学材料としての基材レンズ２４が配置され、この基材レンズ２４の一方の光学面２４ａと上型２１の成形面２１ａとの間には、球状の成形素材２５が配置されている。

位置規制部材２３'は、図１２（ｂ）に示すように、中央の開口部２６とこれに連通する切り込み部２７が設けられた略Ｃ字形状をなしている。形状については、第１の実施の形態において変形例として示した形状を用いることが可能である。この位置規制部材２３'は、スリーブ２２に挿入可能なように外径が調整されている。また、開口部２６は、その内側に基材レンズ２４が挿入可能なように内径が調整されている。更に、位置規制部材２３'は、その外径の中心軸と内径の中心軸とが一致するよう高精度に仕上げられている。

位置規制部材２３'としては、耐熱性があり、かつ基材レンズ２４よりも小さな線膨張係数を有する金属、例えば炭化タングステンなどの合金が用いられる。この材料以外にも、線膨張係数の小さいセラミックスを使用してもよい。また、基材レンズ２４の外形と位置規制部材２３'の内径との隙間ΔＤ'は、次の条件を満足させる関係にある（図１２（b）参照）。

ΔＤ' ≦ Ｄ１×Ｔｍ×（α１−αｒ）
ただし、基材レンズ２４の外周面の直径をＤ１、位置規制部材２３'の熱線膨張係数をαｒ、基材レンズ２４の熱線膨張係数をα１、成形温度をＴｍとする。

本実施形態では、次のようにしている。
Ｄ１＝１０ｍｍ
αｒ＝５０×１０^-7℃^-1
α１＝９５×１０^-7℃^-1
Ｔｍ＝５７０℃
として、
ΔＤ' ≦ ０．０３ｍｍ
となる。一例として、ΔＤ'＝０．０２ｍｍに設定した。

次に、本実施の形態の金型組立体１５を用いた複合レンズ１８の製造方法を説明する。
図１２（ａ）（ｂ）に示すように、金型組立体１５において、基材レンズ２４を位置規制部材２３'の開口部２６に挿入し、これを支持面２０ａの上に配置しておく。基材レンズ２４の一方の光学面２４ａ（凹面）上には成形素材２５を載せる。この時、成形素材２５はボール形状を有しているため、重力によって基材レンズ２４の中央に移動して静止する。次に、上型２１をスリーブ２２に挿入し、上型２１と下型２０とで基材レンズ２４と成形素材２５を挟み込む。

次に、加熱、成形工程を図１３（ａ）（ｂ）に示す。成形素材２５が成形温度に加熱されて軟化状態になる。基材レンズ２４は、このときの成形温度よりも屈伏点が高いため軟化しない。この加熱によって、位置規制部材２３'及び基材レンズ２４が熱膨張する。位置規制部材２３'は、その熱線膨張係数αｒが基材レンズ２４の熱線膨張係数α１よりも小さいため、相対的に基材レンズ２４の熱膨張よりも小さな熱膨張が発生する。

また、位置規制部材２３'の内径と基材レンズ２４の外径との隙間ΔＤ'が、予め所定量以下に設定されているため、加熱により位置規制部材２３'の内径が基材レンズ２４の外径に当接するようになる。位置規制部材２３'は開口部２６に挿入されている基材レンズ２４の熱膨張によって切り込み部ΔLの幅が広がる方向へ変形し始める。

この変形が進行すると、位置規制部材２３'の外径が大きくなり、スリーブ２２の内周面とのクリアランスが狭まる。この場合、予め位置規制部材２３'の外径とスリーブ２２の内周面の直径との差を調整しておく。そして、変形が完了した時点で、位置規制部材２３'の外径がスリーブ２２の内周面に密接するようにする。この状態で、位置規制部材２３'の開口部２６の内径中心軸がスリーブ２２の内径中心軸と一致することで、基材レンズ２４の外径中心軸はスリーブ２２の内径中心軸と一致する。

成形工程では、上型２１を下型２０に向けて移動させて成形素材２５を加圧することで、上型２１と基材レンズ２４で挟まれた成形素材２５が押し潰され、成形が進行する。
金型組立体１５の加熱工程、及び成形工程を完了すると、成形レンズ２５’と基材レンズ２４とが境界面２８で一体化した複合レンズ１８が得られる（図４，図１１参照）。このとき、成形段階で上型２１の成形面２１ａの中心軸と基材レンズ２４の外径中心軸とが一致するため、複合レンズ１８は成形レンズ２５’の中心軸が基材レンズ２４の外径中心軸と一致するものになっている。なお、成形後は位置規制部材２３’と複合レンズ１８とは分離する。

本実施の形態によれば、金型組立体１５を組み立てる際、それぞれの部材には所定の隙間が設けられているため、作業性が損なわれない。また、加熱時の位置規制部材２３'の作用によって、基材レンズ２４の外径中心軸が上型２１の成形面２１ａの中心軸と一致する。そのため、成形で得られる複合レンズ１８内の偏心が抑制される。こうして、安定した品質の複合レンズ１８を得ることができる。

成形装置の概略構成を示す図である。 （ａ）は第１の実施の形態の成形用金型の常温時の断面正面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は第１の実施の形態の成形用金型の加熱時の断面正面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。 第１の実施の形態で得られた複合レンズを示す図である。 位置規制部材の形状を示す図である。 位置規制部材の形状を示す図である。 位置規制部材の形状を示す図である。 位置規制部材の形状を示す図である。 （ａ）は第２の実施の形態の成形用金型の常温時の断面正面図、（ｂ）はその上面図である。 第２の実施の形態の成形用金型の加熱時の断面正面図である。 第２の実施の形態で得られた複合レンズを示す図である。 （ａ）は第３の実施の形態の成形用金型の常温時の断面正面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は第３の実施の形態の成形用金型の加熱時の断面正面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１０ 成形装置
１１ 下側プレート
１２ 上側プレート
１３ 加圧装置
１５ 金型組立体
１８ 複合レンズ
２０ 下型
２０ａ 支持面
２０ｂ 載置面
２１ 上型
２１ａ 成形面
２２ スリーブ
２３ 位置規制部材
２３' 位置規制部材
２４ 基材レンズ
２４ａ 一方の光学面
２５ 成形素材
２５' 成形レンズ
２６ 開口部
２７ 切り込み部
２８ 境界面
３０ 位置出し部材
３１ 貫通孔

Claims (14)

1. 基材側の光学素子の一方の光学面と、これに対向する金型の成形面との間に成形素材を配置し、これら光学素子と成形素材を所定の成形温度に加熱して押圧し、前記光学素子の一方の光学面に前記成形素材を一体的に接合する複合光学素子の製造方法において、
   前記光学素子は、前記成形素材よりも屈服点、又はガラス転移点が高く、
   前記金型を嵌挿するスリーブ型に内挿され、このスリーブ型の内周面と前記光学素子の外周面との間に配置されて該光学素子の位置を規制する位置規制部材を有し、
   該位置規制部材および前記光学素子のうちの少なくとも一方は、前記スリーブ型の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有し、
   前記位置規制部材は、その外接円の周方向の一部に形成されたスリットを有し、
   前記光学素子と前記成形素材の加熱を開始すると、前記スリットの幅が広がり前記スリーブ型の内周面の直径と前記位置規制部材の外接円との直径の差が小さくなり、前記位置規制部材の外径と前記スリーブ型の内周面とが密接する、
   ことを特徴とする複合光学素子の製造方法。
2. 前記位置規制部材の外周部の少なくとも一部の幅は、前記位置規制部材の内接円と外接円との間の領域の幅よりも狭い、
   ことを特徴とする請求項１に記載の複合光学素子の製造方法。
3. 前記位置規制部材の外周部は、該外周部の内側および外側を多角形とした形状を、該外周部の各辺の中央部の幅が、該各辺の両端部の幅よりも狭くなるようにした形状である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の複合光学素子の製造方法。
4. 前記位置規制部材は、前記スリーブ型の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有し、
   加熱時に、熱膨張した前記位置規制部材の外周部が前記スリーブ型の内周面に当接して弾性変形し、該位置規制部材が前記光学素子の外周面を挟持し、前記スリーブ型の内周面の中心軸と該光学素子の外周面の中心軸とが略一致するようにした、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合光学素子の製造方法。
5. 前記位置規制部材は、前記光学素子の線膨張係数よりも小さな線膨張係数を有し、
   加熱時に、熱膨張した前記光学素子の外周面が前記位置規制部材の内周部に当接して弾性変形し、該位置規制部材が前記スリーブ型の内周面に密接し、前記スリーブ型の内周面の中心軸と該光学素子の外周面の中心軸とが略一致するようにした、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合光学素子の製造方法。
6. 前記位置規制部材の前記スリットの幅ΔＬと、前記スリーブ型の内周面の直径と前記位置規制部材の外接円との直径の差ΔＤは、前記位置規制部材の外接円の直径をＤｒ、前記位置規制部材の線膨張係数をαｒ、前記スリーブ型の線膨張係数をαｓ、成形温度をＴｍとしたとき、
   ΔＬ ≧ ３．１４×Ｄｒ×Ｔｍ×（αｒ−αｓ）
   ΔＤ ≦ Ｄｒ×Ｔｍ×（αｒ−αｓ）
   の関係を有する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合光学素子の製造方法。
7. 前記光学素子の外周面の直径と前記位置規制部材の内接円の直径との差ΔＤ’は、前記光学素子の外周面の直径Ｄ１、前記位置規制部材の線膨張係数をαｒ、前記光学素子の線膨張係数をα１、成形温度をＴｍとしたとき、
   ΔＤ’ ≦ Ｄ１×Ｔｍ×（α１−αｒ）
   の関係を有する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合光学素子の製造方法。
8. 基材側の光学素子の一方の光学面と、該一方の光学面に対向する金型の成形面との間に成形素材を配置し、これら光学素子と成形素材を所定の成形温度に加熱して押圧し、前記光学素子の一方の光学面に前記成形素材を一体的に接合する複合光学素子の成形用金型において、
   前記金型を嵌挿するスリーブ型と、
   該スリーブ型に内挿され、該スリーブ型の内周面と前記光学素子の外周面との間に配置されて前記光学素子の位置を規制する位置規制部材と、を備え、
   前記光学素子は、前記成形素材よりも屈服点、又はガラス転移点が高く、
   前記位置規制部材および前記光学素子のうちの少なくとも一方は、前記スリーブ型の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有し、
   前記位置規制部材は、その外接円の周方向の一部に形成されたスリットを有し、
   前記光学素子と前記成形素材の加熱を開始すると、前記スリットの幅が広がり前記スリーブ型の内周面の直径と前記位置規制部材の外接円との直径の差が小さくなり、前記位置規制部材の外径と前記スリーブ型の内周面とが密接する、
   ことを特徴とする複合光学素子の成形用金型。
9. 前記位置規制部材の外周部の少なくとも一部の幅は、前記位置規制部材の内接円と外接円との間の領域の幅よりも狭い、
   ことを特徴とする請求項８に記載の複合光学素子の成形用金型。
10. 前記位置規制部材の外周部は、該外周部の内側および外側を多角形とした形状を、該外周部の各辺の中央部の幅が、該各辺の両端部の幅よりも狭くなるようにした形状である、
    ことを特徴とする請求項９に記載の複合光学素子の成形用金型。
11. 前記位置規制部材は、前記スリーブ型の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有し、
    加熱時に、熱膨張した前記位置規制部材の外周部が前記スリーブ型の内周面に当接して弾性変形し、該位置規制部材が前記光学素子の外周面を挟持し、前記スリーブ型の内周面の中心軸と該光学素子の外周面の中心軸とが略一致するようにした、
    ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の複合光学素子の成形用金型。
12. 前記位置規制部材は、前記光学素子の線膨張係数よりも小さな線膨張係数を有し、
    加熱時に、熱膨張した前記光学素子の外周面が前記位置規制部材の内周部に当接して弾性変形し、該位置規制部材が前記スリーブ型の内周面に密接し、前記スリーブ型の内周面の中心軸と該光学素子の外周面の中心軸とが略一致するようにした、
    ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の複合光学素子の成形用金型。
13. 前記位置規制部材の前記スリットの幅ΔＬと、前記スリーブ型の内周面の直径と前記位置規制部材の外接円との直径の差ΔＤは、前記位置規制部材の外接円の直径をＤｒ、前記位置規制部材の線膨張係数をαｒ、前記スリーブ型の線膨張係数をαｓ、成形温度をＴｍとしたとき、
    ΔＬ ≧ ３．１４×Ｄｒ×Ｔｍ×（αｒ−αｓ）
    ΔＤ ≦ Ｄｒ×Ｔｍ×（αｒ−αｓ）
    の関係を有する、
    ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の複合光学素子の成形用金型。
14. 前記光学素子の外周面の直径と前記位置規制部材の内接円の直径との差ΔＤ’は、前記光学素子の外周面の直径Ｄ１、前記位置規制部材の線膨張係数をαｒ、前記光学素子の線膨張係数をα１、成形温度をＴｍとしたとき、
    ΔＤ’ ≦ Ｄ１×Ｔｍ×（α１−αｒ）
    の関係を有する、
    ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の複合光学素子の成形用金型。