JP5059540B2 - 光学素子の成形装置 - 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成形装置に関する。

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、製造コストも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製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光学素子外形と同一の内径（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恐れがある。

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にかかる発明は、加熱軟化した成形素材を、対向する一対の成形型間に挟んで押圧し光学素子を成形する光学素子の成形装置において、前記一対の成形型間に配置され、成形される前記光学素子の側面を少なくとも１つの平面に成形する押圧面を有する側面押圧部材と、該側面押圧部材を保持し、成形される前記光学素子の外周側面を規制し、該側面押圧部材よりも大きな熱伝導率を有する外周規制部材と、を備え、 少なくとも１つの平面部を有する外周側面を持つ非軸対称形状の光学素子を成形し、加熱軟化した前記成形素材を前記外周規制部材よりも先に前記側面押圧部材の前記押圧面に接触させることを特徴とする。

請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の光学素子の成形装置において、前記側面押圧部材は、カーボン系のコーティングが施されていることを特徴とする。

請求項３にかかる発明は、請求項１または２に記載の光学素子の成形装置において、前記側面押圧部材は、ガラス又はセラミクスからなり、前記外周規制部材は、金属材料からなることを特徴とする。

本発明によれば、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製造コストの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の構成を説明する。
図１は、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線に沿う断面を示す図である。
図４は、図１のIV−IV線に沿う断面において、側面押圧部材３８を保持した外周規制部材36を外して、下型２８の上端及び成形面部を示す図である。

図５の（ａ）、（ｂ）は、側面押圧部材３８を保持した外周規制部材３６を下型２８上に設置した際の上面図と、そのときのＡ-Ａ‘の断面を示している。
図６（ａ）（ｂ）は、外周規制部材３６の構成の詳細を示す図である。

図７（ａ）（ｂ）は、側面押圧部材３８の構成の詳細を示す図である。
図８は、成形後の型セット１６内での小判形光学素子３４の成形状態を示す図である。
図９（ａ）（ｂ）は、２つの側面３４ｂ，３４ｂを有する小判形のガラス製の光学素子３４を示している。

図１０（ａ）（ｂ）は、１つの側面３４’ｂを有するＤ字形状のガラス製の光学素子３４’を示している。
図１、２に示す成形装置１０は、上下に対向して配置された一対の上加熱板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、図１、２に示す装置部全体を覆い、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の嵌合部は不図示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。

上記成形装置の下加熱板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２６ａ，２８ａが対向するようにスリーブ３０の両端側から嵌挿され、上型２６は、スリーブ３０の軸方向に摺動可能となっている。これら成形面２６ａ，２８ａ間には成形素材３２が配置される。

上型２６は図３に示すように、円柱部２６_１と、該円柱部２６_１から下型２８との対向面側に突出した突出部２６_２とを有している。突出部２６_２の先端には凹球面状の成形面２６ａが形成されている。この突出部２６_２は、同一平面内に形成された２つの平坦な円弧部４２，４２と、この円弧部４２，４２の夫々の端部同士を接続する２つの直線部４４，４４とを有している。

下型２８は、図４に示すように、大小の２つの円柱部２８_１、２８_２と、小径の円柱部２８_２から上型２６との対向面側に突出した突出部２８_３とを有している。そして、突出部２８_３の先端に凹球面状の成形面２８ａが形成されている。この突出部２８_３は、同一平面内に形成された２つの平坦な円弧部４６，４６と、この円弧部４６，４６の夫々の端部同士を接続する２つの直線部４８，４８とを有している。

なお、上型２６の成形面２６ａの円弧部４２，４２の直径と、下型２８の成形面２８ａの円弧部４６，４６の直径は等しく、上型２６の成形面２６ａの直線部４４，４４と下型２８の成形面２８ａの直線部４８，４８は等しい長さに設定されている。

また、これまでの説明では成形面２６ａ、２８ａを凹形状の球面として説明したが、所望とするガラスレンズの形状によっては、どちらか一方が凹形状の非球面、残りの一方が凹形状の球面、また両面とも凹形状の非球面の組み合わせでもよい。

上型２６及び下型２８、スリーブ３０の材料には、タングステンカーバイド（ＷＣ）等の超硬合金を研削、研磨して所望の形状に仕上げたものを用いている。
成形素材３２には、市販の光学ガラス材料（例えばＬ−ＢＳＬ７（オハラ製）等）を例えば球形状に加工した物、概略レンズの光学素子形状に加工した物、溶融したガラスを滴下して等の手段で概略球形状に加工した物等が用いられる。

下型２８の上端成形面部には図５（ａ）、（ｂ）に示すように、外周規制部材３６が設置されている。
外周規制部材３６は、図６に示すような形状で、光軸方向（Ｚ軸方向）に延びる概略円筒状をなしている。この外周規制部材３６は、内側下部にＺ軸を中心とする下型嵌入孔４０、及びこの下型嵌入孔４０に連通し、これよりも小径でＺ軸を中心として対向する２つの円弧部３６ａ，３６ａを有している。さらに、この２つの円弧部３６ａ，３６ａの夫々の端部に接続される平面視略台形状の２つの台形部３６ｂ，３６ｂを有している。これら２つの台形部３６ｂ，３６ｂは、その平面視で上底１３６ｂと下底１３６ｂ’が、Ｘ軸と直交するＹ軸に平行に延びている。

この台形部３６ｂの上底１３６ｂの下方部には、２つの円弧部３６ａ，３６ａの中心を通る直線Ｙ軸と略平行に延びる突出片３６ｃが形成されている。この突出片３６ｃにより、外周規制部材３６に保持される側面押圧部材３８のＺ軸方向の図面下方への移動が規制される。

さらに、外周規制部材３６に保持される側面押圧部材３８は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、外周規制部材３６の２つの台形部３６ｂの内側に夫々嵌挿される。この側面押圧部材３８は、押圧面３８ａ、嵌挿面３８ｂ、及びこの押圧面３８ａと嵌挿面３８ｂを接続する２つの傾斜面３８ｃを有する。また、側面押圧部材３８の下部には、押圧面３８ａと略平行に延びる段差部３８ｄが穿設されている。

そして、型セット１６の組み立て時には、図５（ａ）（ｂ）に示すように、下型２８の小径の円柱部２８_２に外周規制部材３６を嵌合する。次いで、外周規制部材３６の２つの台形部３６ｂに側面押圧部材３８を夫々嵌入する。このとき、側面押圧部材３８の押圧面３８ａが下型２８の直線部４８（図４参照）に嵌合され、かつ側面押圧部材３８の段差部３８ｄが外周規制部材３６の突出片３６ｃ（図６参照）に係合されるようにする。

さらに、下型２８の大径の円柱部２８_１にスリーブ３０を嵌合させ、スリーブ３０の上方より上型２６の成形面が下型28と相対する方向になるように嵌挿して型セットを組む。
ここで、光学素子３４の外周面（３４ａ）を規制するものとして円弧部３６ａを例示したが、これに限らない。例えば、円弧部３６ａの代わりに円弧以外の湾曲部、又は直線部であってもよい。

さらに、外周規制部材３６と側面押圧部材３８との材質は異なっており、例えば、外周規制部材３６として超硬合金（ＷＣ）を用いたとき、側面押圧部材３８には石英ガラス等を用いる組み合わせがある。

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２８の成形面２８ａ上に成形素材３２を載置した後、上型２６の成形面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上に設置する。

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２６ａとは逆の一方の端面に接触させた後、上下加熱板１２，１４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。
上記動作により、側面押圧部材３８の押圧面３８ａの方向に流動した軟化したガラスは、外周規制部材３６の円弧部３６ａの方向に流動する軟化したガラスよりも先に押圧面３８ａ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、軟化したガラスは押圧面３８ａの方向には流動できず、外周規制部材３６の円弧部３６ａの方向に流動し、所望の中心肉厚に達した時点で図２および図８に示すような状態で押圧を終了する。

ここで、側面押圧部材３８と成形対象とする成形素材３２との滑りが悪い場合、成形中の軟化したガラスは側面押圧部材３８の押圧面３８ａに接触した後、外周規制部材３６の円弧部３６ａ側への広がりを阻害し、結果、外周規制部材３６の円弧部３６ａ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。または、余剰の軟化したガラスが側面押圧部材３８の押圧面３８ａを超えて溢れ出し、良品が得られない。

そこで、側面押圧部材３８とガラスとの滑りを良くすることで、軟化したガラスを外周規制部材３６の円弧部３６ａに流動させて所望形状の光学素子３４を得るために、側面押圧部材３８にガラスとの滑りがよいカーボン系のコーティング（例えば、ダイヤモンド状カーボン(ＤＬＣ)）を施してもよい。

これにより、軟化したガラスと側面押圧部材３８の押圧面３８ａとの間の滑りが確保でき、外周規制部材３６の円弧部３６ａへの流動が容易になる。
所望形状への成形が終了した後は、上型２６、下型２８の加熱を停止し、型セット１６の冷却を開始して、常温近くまで温度を下げ、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３６を取り出す。

このとき、本実施の形態のような、成形品の形状が非軸対称形状になる場合、外周規制部材３６の円弧部３６ａと側面押圧部材３８の押圧面３８ａとで冷却速度に差ができ、その結果、軸対称（外周が円形状等）の光学素子形状の場合と異なり、軟化したガラスが光学素子形状に対し均等に収縮することができずに、内部歪が生じて成形面の形状が歪んでしまい、結果、面精度の劣化が起こりえる。

そこで、側面押圧部材３８よりも熱伝導率の大きい外周規制部材３６を用いることで、外周規制部材３６と側面押圧部材３８との温度分布の差を補正して擬似的に軸対称の成形に近い状況を作り出し、成形される光学素子３４の面精度の劣化を防止する。

例えば、側面押圧部材３８として石英ガラス等のガラスを用い、外周規制部材３６としてガラスよりも熱伝導率が大きい超硬合金（ＷＣ）等の金属材料を用いた場合、外周規制部材３６に用いられる超硬合金（ＷＣ）の熱伝導率は２９Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるのに対し、側面押圧部材３８に用いられる石英ガラスの熱伝導率は１．６２Ｗ／（ｍ・Ｋ）。

成形素材３２を前記で例としてあげたＬ−ＢＳＬ７とすると、Ｌ−ＢＳＬ７の熱伝導率は１．１６９（Ｗ／（ｍ・Ｋ））なので、成形後の光学素子34の熱特性は擬似的に軸対称形状に近い状況になり、均等なガラス冷却の状況を作り出し、面精度の劣化が防止できるものである。
部材の熱伝導率の関係は、側面押圧部材３８よりも外周規制部材３６の方が大きく、前記説明では、超硬合金（ＷＣ）と、石英ガラスの場合を述べたが、成形素材32との熔着が起こらない材質であれば、セラミクスでも問題はない。

以上の一連の工程により得られる効果を述べる。
光学素子３４は、２つの側面３４ｂ，３４ｂを側面押圧部材３８の押圧面３８ａにより夫々平面に成形され、かつ外周面を外周規制部材３６の２つの円弧部３６ａ、３６ａにより円弧状に成形される。

その結果、図９（ａ）（ｂ）に示すように、光学機能面３４_１，３４_２と、その外周側の２つの円弧部３４ａ，３４ａと、該２つの円弧部３４ａ，３４ａの夫々の端部同士を接続する２つの直線状の側面部３４ｂ，３４ｂとを有し、２つの円弧部３４ａ，３４ａは光軸を中心とする同一曲率半径で、かつ、２つの側面部３４ｂ，３４ｂは光軸に対して対称な位置に平行に配置された小判形のレンズ３４を容易に得ることができるため、成形後の光学素子の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。

なお、本実施の形態では、２つの側面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つの平面部としての側面３４ｂを有する光学素子３４を成形することもできる。この場合は、図８において、１つの側面押圧部材３８を用い、もう１つの側面押圧部材３８に相当する外周規制部材３６の円弧部分が連なるように接続する。以上により、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、１つの平面部としての側面３４ｂ’を有する光学素子３４’（いわゆるＤ字形状の光学素子）を得ることができる。この光学素子３４’は、光軸を中心とした略円形の光学機能面３４_１’，３４_２’の外周面３４ａ’の一箇所が、直線により切り欠かれて側面３４ｂ’が形成されており、小判形状と同様に、成形後の光学素子の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。

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。 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線に沿う断面を示す図である。 図１のIV−IV線に沿う断面を示す図である。 （ａ）は、側面押圧部材を保持した外周規制部材の平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａに沿う断面図である。 （ａ）は、外周規制部材の平面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂに沿う断面図である。 （ａ）は、側面押圧部材の平面図、（ｂ）はその正面図である。 成形後の型セット内での光学素子の状態を示す図である。 （ａ）は、２つの平面部を有する光学素子の平面図、（ｂ）はその正面図である。 （ａ）は、１つの平面部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_１ 円柱部
２６_２ 突出部
２６ａ 成形面
２８ 下型
２８_１ 円柱部
２８_２ 円柱部
２８_３ 突出部
２８ａ 成形面
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 側面
３４’ 光学素子
３４_１’ 光学機能面
３４_２’ 光学機能面
３４ａ’ 外周面
３４ｂ’ 側面
３６ 外周規制部材
３６ａ 円弧部
３６ｂ 台形部
３６ｃ 突出片
３８ 側面押圧部材
３８ａ 押圧面
３８ｂ 嵌挿面
３８ｃ 傾斜面
３８ｄ 段差部
４０ 下型挿入孔
４２ 円弧部
４４ 直線部
４６ 円弧部
４８ 直線部

Claims (3)

1. 加熱軟化した成形素材を、対向する一対の成形型間に挟んで押圧し光学素子を成形する光学素子の成形装置において、
   前記一対の成形型間に配置され、成形される前記光学素子の側面を少なくとも１つの平面に成形する押圧面を有する側面押圧部材と、
   該側面押圧部材を保持し、成形される前記光学素子の外周側面を規制し、該側面押圧部材よりも大きな熱伝導率を有する外周規制部材と、を備え、
   少なくとも１つの平面部を有する外周側面を持つ非軸対称形状の光学素子を成形し、
   加熱軟化した前記成形素材を前記外周規制部材よりも先に前記側面押圧部材の前記押圧面に接触させることを特徴とする光学素子の成形装置。
2. 前記側面押圧部材は、カーボン系のコーティングが施されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形装置。
3. 前記側面押圧部材は、ガラス又はセラミクスからなり、
   前記外周規制部材は、金属材料からな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装置。