JP4934003B2 - 光学素子の製造方法と光学素子の成形型 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス等の成形素材を一対の成形型間に挟んで加熱軟化させた後、押圧して光学素子を成形する光学素子の製造方法と光学素子の成形型に関する。

昨今、デジタルカメラ等の小型化に伴い、デジタルカメラに用いられるＣＣＤやＣＭＯＳの形状に合わせて、光学系の形状を小型化することが求められている。
そこで、光学系に使用される光学素子の光学的に不要な外周部をカットして、Ｄ形状、小判形状等の形状をした光学素子を製作して対応しているが、加工工程が増えて工数が増加し、製造コストが増大するという弊害も生じている。

これに対し、この種類の形状の光学素子に関しては、成形手段により軸対称形状以外の光学素子を成形する技術が提案されている。例えば、特許文献１では、光軸を中心とする略円形の光学機能面の周縁の一部を直線部で切り欠いた小判形状のピックアップの樹脂光学素子に関する技術が開示されている。

また、特許文献２では、一対の上型及び下型と胴型の他に、上型及び下型と同一外径でかつ所望のレンズ外形と同一の内径（多角形、円、楕円等）を有する補助胴型を用いて非軸対称形状の光学素子を成形する技術が開示されている。
特開２００４−２６４５３８号公報 特開平５−８５７４７号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、液状にして材料を充填できる樹脂製の光学素子に対しては有効な成形手段であるが、光学ガラスのように液状化する温度近くまで加熱することで、本来の光学的性質が失われてしまう材料に対しては適用できない手段である。

また、特許文献２では、成形型の構成により所望とする光学素子の概略形状を作製することはできても、冷却時に非軸対称形状から発生するガラスの不均一な冷却と収縮により、所望とする成形面の精度が得られないおそれがある。

本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、成形後の光学素子カット工程を廃止してリードタイムの短縮とコスト低減を図り得る光学素子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、
加熱軟化した成形素材を、一対の成形型間に配置して押圧し成形する非軸対称形状の光学素子の製造方法において、前記一対の成形型の少なくとも一方の成形面が有する中央の曲面およびその周囲の平面のうちの少なくとも前記曲面に溝を形成し、前記溝に、成形される光学素子の外周形状を規制する外周規制部材を挿入し、前記曲面のうち前記溝よりも中央側に配置された前記成形素材を軟化させ、軟化した前記成形素材を前記外周規制部材の該成形素材側の面に沿って流動させた後に冷却することにより、光学素子の外周の一部に平面を成形することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、
加熱軟化した成形素材を、一対の成形型間に配置して押圧し成形する非軸対称形状の光学素子の成形用の型セットにおいて、前記一対の成形型と、成形される光学素子の外周形状を規制する外周規制部材と、を含み、前記一対の成形型の少なくとも一方の成形面は、中央の曲面と、その周囲の平面と、を有し、少なくとも前記曲面に、前記外周規制部材を挿入する溝を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、一対の成形型の少なくとも一方の成形面に溝を形成し、該溝に、成形される光学素子の外周形状を規制する外周規制部材を挿入して成形素材を成形することで、所望とする外周形状を持った光学素子が成形工程のみで得られ、成形後の光学素子の外周部カット工程が削減でき、リードタイムの短縮とコスト低減を図ることができる。

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は、第１の実施の形態の光学素子の成形装置の成形前の概略構成を示す図であり、図２は、成形後の概略構成を示す図である。

図３は、図１のIII−III線に沿う断面において、外周規制部材３６を外した成形用上型２６の成形面部の状態を示す図である。
図４は、図１のＶ−Ｖ線に沿う断面において、外周規制部材３６を外した成形用下型２８の成形面部の状態を示す図である。

図５は、図１のＶ−Ｖ線に沿う断面で成形用下型２８の溝に外周規制部材36を設置し、型中央部に成形素材３２を載置した状態を示す図である。
図６は、２つの外周規制部材３６を対向して配置した状態の外観図である。

図７は、図２のVII−VII線に沿う断面を示す図である。
図８（ａ）（ｂ）は、外周部に２つの平面を有する光学素子を示している。
図１、２に示す成形装置１０は、上下に対向する一対の上加熱板１２及び下加熱板１４と、これらを固定して支持する上プレート支持軸２２及び下プレート支持軸２４と、上加熱板１２及び下加熱板１４の夫々に内蔵されているカートリッジヒータ１８、２０と、上プレート支持軸２２及び上加熱板１２を上下（対向）方向に駆動する不図示のエアシリンダと、下プレート支持軸２４が固定されている不図示の本体と、成形装置１０の全体を覆い、酸化性雰囲気を非酸化性雰囲気に置換できる不図示の筐体から構成されている。

上加熱板１２及び上プレート支持軸２２は、不図示のエアシリンダによって昇降動作自在に支持されている。
なお、上プレート支持軸２２にエアシリンダを取付ける代わりに、下プレート支持軸２４側にエアシリンダを取付けてもよく、さらに、上プレート支持軸２２及び下プレート支持軸２４の双方にエアシリンダを取付けてもよい。

また、不図示の筐体と上下プレート支持軸２２，２４の嵌合部は、筐体の内部気密を保持できるだけのシールが施されている。また、不図示の筐体には、雰囲気を置換するための不図示の雰囲気吸排気孔が設けられている。

成形装置１０の下加熱板１４上には型セット１６が載置される。
この型セット１６は、上型２６、下型２８、及びスリーブ３０を有しており、上型２６及び下型２８は、スリーブ３０の内部で、それぞれの成形面２６’，成形面２８’が対向するように配置され、スリーブ３０の軸方向（Ｏ−Ｏ方向）に摺動可能な状態でスリーブ３０の両端側から嵌挿されている。

上型２６の成形面２６’は、中央の曲面２６ａとその周囲の平面２６ｂとを有し、下型２８の成形面２８’は、中央の曲面２８ａとその周囲の平面２８ｂとを有している。各々の曲面２６ａ、２８ａは、所望とする光学素材に対して凹球面または凹状の非球面形状に形成されている。

そして、図３に示すように、上型２６の成形面２６’には、型平面の中心（Ｙ軸）に対し対称かつＹ軸と平行に所定幅の２本の溝２７，２７が、図４に示すように、下型２８の成形面２８’にも、型平面の中心（Ｙ軸）に対し対称かつＹ軸と平行に所定幅の２本の溝２９，２９が形成されている。これら上型２６及び下型２８の溝２７，２９は、同一幅に形成され、上型２６の成形面２６’の溝２７と下型２８の成形面２８’の溝２９は等しい長さに設定されている。

なお、本実施形態では、これらの溝２７，２９は直線で形成されているとしたが、その本数、形状はこれに限らない。成形される光学素子の形状によって、例えば、多角形の場合は複数本設け、その形状も直線や曲線となる。また、成形される光学素子の形状が例えばＤ字状であれば、溝２７，２９は１本でよい。

さらに、これらの溝２７（２９）は、成形面２６’（２８’）の曲面２６ａ（２８ａ）と平面２６ｂ（２８ｂ）の部分を連続的に通過するように形成されているが、これに限らない。例えば、加工が可能であれば、成形面２６’（２８’）の曲面２６ａ（２８ａ）のみに溝２７（２９）を形成してもよい。

次に図５に示すように、下型２８の２本の溝２９，２９には、外周規制部材３６，３６が夫々挿入される。この外周規制部材３６は、図６に示すように、外観略Ｔ字状をなし、上型２６の移動方向（図６のＯ方向）に延びる外周規制部３６ａと、これと直交方向（図６のＸ方向）に延びる支持部３６ｂとを有している。

前記上下型２６、２８とスリーブ３０、外周規制部材36で型セット16を組むときは、外周規制部材３６の外周規制部３６ａの下端を下型２８の溝２９に挿入し、支持部３６ｂを下型２８の成形面２８’の平面２８ｂに載置して、２つの外周規制部材３６、３６の外周規制部３６ａ、３６ａが対向するように下型２８上に配置した後、下型２８にスリーブ３０を嵌挿する。スリーブ３０の上端開放側から、成形素材３２を成形面２８’の中心に載置した後、スリーブ３０の上端開放側から上型２６を嵌挿して、成形素材３２を成形面２８と成形面２６で挟持する。

このとき、外周規制部材３６の外周規制部３６ａの上端は上型２６の溝27に挿入されるように上型２６と下型２８の中心軸に対する回転角を一致するように配置する。
ここで、上下型の溝２７、２９の深さは、成形面２６’、２８’の平面部２６ｂ、２８ｂに外周規制部材３６の支持部３６ｂを載置した際に、外周規制部３６ａの端部が溝２７、２９の底に接触しない深さになっている。また、外周規制部材３６の外周規制部３６ａの長さは、型セット16を組んで成形素材３２を挟持した時に、外周規制部３６ａの両端が溝２７、２９に挿入された状態になるように設定されている。

型セット16を構成する上型２６、下型２８、スリーブ３０の材質は、例えばWCなどの超硬合金や、SiC等のセラミクス等が用いられ、外周規制部材３６には前記同材質に加え石英ガラス等も用いられる。

成形される成形素材３２は一般に市販されている光学ガラス用硝材（例えばL-BSL7）の加工品（例えば球形状）などが用いられる。
次に、本実施の形態での成形時の作用を説明する。

型セット１６の下型２６の成形面２８’の曲面２８ａ上に成形素材３２を載置した後、上型２６の成形面２６’の曲面２６ａによって挟むように上型２６をスリーブ３０に嵌挿し、不図示の筐体内の下加熱板１４上に載置する。

不図示の筐体を密閉後、筐体内部の雰囲気を不図示の雰囲気吸排気孔より非酸化性雰囲気に置換する。
上加熱板１２を上プレート支持軸２２を介して不図示のエアシリンダで降下させて、図１に示すように、上型２６の成形面２６’とは反対側の端面に接触させた後、上下加熱板１２，１４に内蔵のカートリッジヒータ１８、２０で成形素材３２のガラス軟化点付近の温度まで加熱する。

成形素材３２がガラス軟化点付近の温度に達したら、不図示のエアシリンダによって、上プレート支持軸２２、上加熱板１２を介して上型２６を降下させる向きに押圧力をかけ、上型２６及び下型２８間で成形素材３２を所望の光学素子形状に押し広げる。

図７において、外周規制部材３６、３６側に流動した軟化ガラスは、上型２６及び下型２８の溝２７、２９と平行な方向に流動した軟化ガラスよりも先に外周規制部３６ａに接触する。さらに、所望の中心肉厚を得るために押圧を続けると、軟化ガラスは外周規制部３６ａに向けては流動できず、外周規制部３６ａの面に沿って流動する。

所望の中心肉厚に達した時点で、図２及び図７に示すような状態で押圧を終了する。なお、成形される光学素子３４の中心肉厚は、上型２６の押し込み量で決定される。
ここで、外周規制部材３６の外周規制部３６ａと軟化ガラスとの滑りが悪い場合、軟化ガラスが外周規制部３６ａの面に沿った方向には流動せず、所望の中心肉厚に達する前に成形が終了してしまう。

そこで、軟化ガラスと外周規制部材３６の外周規制部３６ａとの間の滑りを良くすることで、軟化ガラスを外周規制部３６ａの面に沿って流動させて所望形状の光学素子３４を得るために、外周規制部材３６の外周規制部３６ａに軟化ガラスとのすべりが良いカーボン系のコートを施しても良い。

これにより、軟化ガラスと外周規制部材３６の外周規制部３６ａとの間の滑りが確保でき、外周規制部３６ａに沿って流動が進むようになる。
所望形状の成形が終了した後は、上型２６及び下型２８の加熱を停止し、型セット１６の冷却を開始する。このとき、所望形状によっては、成形によって得られた光学素子34の光学機能面に非軸対称形状が原因で不均一な温度分布や収縮が生じ、形状の変化が発生するが、上型２６より一定押圧を加えることにより変形を阻害する。また、外周規制部材３６の材料に、ガラスの熱伝導率に等しい石英ガラスやセラミックス等を選択した場合は、レンズ３４の外周面３４ａと平面部３４ｂの熱伝導率による温度分布が補正でき、より、冷却時の歪が防止できる。

冷却により常温近くまで型セット１６の温度が下がったら、不図示の筐体より型セット１６を取り出し、成形された光学素子３４を取り出す。
以上の一連の工程により、図８（ａ）（ｂ）に示すような、２つの平面３４ｂ，３４ｂを有する非軸対称の小判形の光学素子３４が得られる。

この光学素子３４は、光学機能面３４_１，３４_２と、その外周側の２つの外周面３４ａ，３４ａと、これらの端部同士を接続する２つの直線状の平面３４ｂ，３４ｂとを有している。

光学素子３４の２つの平面３４ｂ，３４ｂは光軸Ｏに対して左右対称に平行に配置されている。
なお、本実施形態では、小判形状の両凸レンズの成形について説明したが、これに限らない。例えば、小判形状の両凹レンズの成形についても同様である。

また、本実施形態では、外周側面に２つの平面３４ｂ，３４ｂを有する光学素子３４を成形する場合について説明したが、これに限らない。例えば、１つの平面３４ｂを有するレンズ３４を成形する場合は、上下型２６,２８の溝２７,２９を1本にし、外周規制部材３６を一つだけ使用する。（例えば図７においてどちらか2個配置されている外周規制部材３６を片側1個のみ使用する形になる。）これにより、１つの側面を有する光学素子３４（いわゆるＤ形状の光学素子）を得ることができる。

本実施形態によれば、面精度の良い非軸対称（小判形状等）の光学素子３４を容易に得ることができる。また、成形手段のみで平面３４ｂを有する光学素子３４を得ることができるので、成形後のレンズカット工程を廃止することができ、リードタイムの短縮と製造コストの低減を図ることができる。
［第２の実施の形態］
図９は、第２の実施の形態の光学素子の成形装置の成形前の概略構成を示す図であり、図１０は、成形後の概略構成を示す図である。

図１１は、２つの外周規制部材３６を対向して配置した状態の外観図である。
図１２（ａ）（ｂ）は、２つの平面を有する光学素子を示している。
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。

本実施形態では、例えば片面が凸で片面が凹形状のメニスカスレンズの成形を想定している。
第１の実施の形態と同様に、成形装置１０は、上下に対向する一対の上加熱板１２及び下加熱板１４等を有している。型セット１６は下加熱板１４上に載置される。この型セット１６を除く部分の構成は第１の実施の形態と同様である。

型セット１６は、上型２６、下型２８、及びスリーブ３０を有している。上型２６及び下型２８は、スリーブ３０の内部で、それぞれの成形面２６’，成形面２８’が対向するようにスリーブ３０の両端側から嵌挿されている。

上型２６の成形面２６’は、中央の曲面２６ａとその周囲の平面２６ｂとを有している。また、下型２８の成形面２８’は、中央の曲面２８ａとその周囲の平面２８ｂとを有している。曲面２６ａは、所定の曲率を有する凸球面に形成され、曲面２８ａは、所定の曲率を有する凹球面に形成されている。曲面２６ａ、曲面２８ａは球面に限らず非球面であってもよい。

上型２６は、スリーブ３０の軸方向（Ｏ−Ｏ方向）に摺動可能となっている。また、成形時には、上型２６の成形面２６’の曲面２６ａと下型２８の成形面２８’の曲面２８ａとの間に、球形状の成形素材３２が配置される。この成形素材３２は、市販の光学ガラス（例えばＬ−ＢＳＬ７（オハラ製））を加工（例えば球形状等）して用いている。ただし、成形素材３２は、ガラス以外の例えば合成樹脂でもよい。

下型２８の成形面２８’には、図４と同様に、型平面の中心（Ｙ軸）に対し対称かつＹ軸と平行に２本の溝２９，２９が形成されている。ただし、上型２６の成形面２６’には、この溝は形成されていない。

なお、本実施形態においても、２本の溝２９は直線としたが、その本数、形状はこれに限らない。成形される光学素子の形状によって選択される。また、成形される光学素子の形状が例えばＤ字状であれば、溝２９は１本でよい。

さらに、この溝２９は、下型２８の成形面２８’の曲面２８ａと平面２８ｂの部分を連続的に通過するように形成されているが、これに限らない。例えば、加工が可能であれば、成形面２８’の曲面２８ａのみに形成してもよい。

そして、下型２８の成形面２８’に形成された２本の溝２９，２９に、２つの外周規制部材３６、３６を夫々挿入して取付ける。この外周規制部材３６は、図１１に示すように、外観略Ｌ字状をなし、上型２６の移動方向（図１１のＯ方向）に延びる外周規制部３６ａと、これと直交方向（図１１のＸ方向）に延びる支持部３６ｂとを有している。

外周規制部材３６の材質、及び、外周規制部３６ａのガラス接触面へのコートに関しては、第１の実施の形態と同様である。
成形に際しては、外周規制部材３６は、その外周規制部３６ａが下型２８の溝２９に挿入され、支持部３６ｂは下型２８の成形面２８’の平面２８ｂに載置される。こうして、２つの外周規制部材３６、３６が、その外周規制部３６ａ、３６ａが対向するように下型２８上に配置される。

成形時には、上型２６が下型２８に接近移動して、光学素子の中心肉厚が所望となるまで押圧を行う。所望の中心肉厚に達したら、型セット１６の加熱を中止して、冷却を開始する。このとき、該上型２６の成形面２６’の凸状の曲面２６ａと外周規制部材３６の外周規制部３６ａの上端縁３６ｃは当接し、これにより、成形される光学素子３４の中心肉厚を制御することができる。次に、型セット１６が冷却で常温近くの温度に達したら、型セット１６を不図示の筐体から取り出し、光学素子（メニスカスレンズ）３４を取り出す。

取り出された光学素子３４は、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、２つの平面３４ｂ，３４ｂを有する非軸対称の小判形の光学素子（メニスカスレンズ）３４である。
この光学素子３４は、光学機能面３４_１，３４_２と、その外周側の２つの外周面３４ａ，３４ａと、それらの端部同士を接続する２つの直線状の平面で、光軸Ｏに対して左右対称に平行に配置される平面３４ｂ，３４ｂとを有している。

本実施形態によれば、下型２８の成形面２８’にのみ溝２９を形成し、この溝２９に外周規制部材３６を挿入することで、成形手段のみで外周側面に２つの平面３４ｂ，３４ｂを有する光学素子（メニスカスレンズ）３４を得ることができるので、成形後のレンズカット工程を廃止することができるとともに、上型２６の成形面２６’を外周規制部材３６の上端縁３６ｃに当接して、光学素子３４の中心肉厚を制御するので、光学素子３４の中心肉厚のバラツキ精度が向上される。

第１の実施の形態の光学素子の成形装置の成形前の概略構成を示す図である。 第１の実施の形態の光学素子の成形装置の成形後の概略構成を示す図である。 図１のIII−III線に沿う断面において、外周規制部材を外した成形面の状態を示す図である。 図１のＶ−Ｖ線に沿う断面において、外周規制部材を外した成形面の状態を示す図である。 図１のＶ−Ｖ線に沿う断面を示す図である。 ２つの外周規制部材が対向して配置した状態の外観図である。 図２のVII−VII線に沿う断面を示す図である。 （ａ）は、２つの平面を有する光学素子の平面図、（ｂ）は、その正面図である。 第２の実施の形態の光学素子の成形装置の成形前の概略構成を示す図である。 第２の実施の形態の光学素子の成形装置の成形後の概略構成を示す図である。 ２つの外周規制部材が対向した状態の外観図である。 （ａ）は、２つの平面を有する光学素子の平面図、（ｂ）は、その正面図である。

符号の説明

１０ 光学素子の成形装置
１２ 上加熱板
１４ 下加熱板
１６ 型セット
１８ カートリッジヒータ
２０ カートリッジヒータ
２２ 上プレート支持軸
２４ 下プレート支持軸
２６ 上型
２６_’ 成形面
２６ａ 曲面
２６ｂ 平面
２７ 溝
２８ 下型
２８_’ 成形面
２８ａ 曲面
２８ｂ 平面
２９ 溝
３０ スリーブ
３２ 成形素材
３４ 光学素子
３４_１ 光学機能面
３４_２ 光学機能面
３４ａ 外周面
３４ｂ 平面
３６ 外周規制部材
３６ａ 外周規制部
３６ｂ 支持部
３６ｃ 上端縁

Claims (2)

1. 加熱軟化した成形素材を、一対の成形型間に配置して押圧し成形する非軸対称形状の光学素子の製造方法において、
   前記一対の成形型の少なくとも一方の成形面が有する中央の曲面およびその周囲の平面のうちの少なくとも前記曲面に溝を形成し、
   前記溝に、成形される光学素子の外周形状を規制する外周規制部材を挿入し、
   前記曲面のうち前記溝よりも中央側に配置された前記成形素材を軟化させ、
   軟化した前記成形素材を前記外周規制部材の該成形素材側の面に沿って流動させた後に冷却することにより、光学素子の外周の一部に平面を成形する
   ことを特徴とする非軸対称形状の光学素子の製造方法。
2. 加熱軟化した成形素材を、一対の成形型間に配置して押圧し成形する非軸対称形状の光学素子の成形用の型セットにおいて、
   前記一対の成形型と、
   成形される光学素子の外周形状を規制する外周規制部材と、を含み、
   前記一対の成形型の少なくとも一方の成形面は、中央の曲面と、その周囲の平面と、を有し、
   少なくとも前記曲面に、前記外周規制部材を挿入する溝を形成した
   ことを特徴とする非軸対称形状の光学素子の成形用の型セット。