WO2018117096A1 - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

光学素子の製造方法は、成形素材を一対の金型によってプレス成形することにより光学素子を製造するものであり、一対の金型に成形素材を配置し、成形素材を加熱して軟化させる加熱工程と、加熱軟化後の成形素材を一対の金型によってプレスするプレス工程と、プレス後の成形素材を冷却する冷却工程と、を含み、プレス工程において、プレスにより側方に流動する成形素材の、成形素材の外周面を転写するための外周型への接触の有無を検知し、接触を検知した後にプレスを完了する。

Description

光学素子の製造方法

　本発明は、光学素子の製造方法に関する。

　従来、光学素子（レンズ）の製造方法として、加熱軟化させた成形素材（ガラス素材）を一対の金型によってプレスし、プレス後の成形素材を冷却することにより、光学素子を製造する方法が知られている。このようにして製造された光学素子は、通常は後工程で外周部を削り出す芯取り加工を行うことにより形状を仕上げている。

　一方、最近ではコスト削減や製造効率向上等を目的として、芯取り加工が不要な光学素子の製造方法も提案されている。例えば特許文献１では、外径規制部と非規制部とを備える環状の外径型を用いて成形を行うことにより、成形後の芯取り加工を不要とした光学素子の製造方法が提案されている。

特開２０００－１３２３号公報

　しかしながら、特許文献１で提案された方法では、外径型の非規制部に流動する余剰な成形素材が必要となるため材料ロスが発生する。また、鏡枠側にも、非規制部に流動した余剰な成形素材の収納スペースを設ける必要があった。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、材料ロスを発生させることなく、かつ鏡枠側にも余剰なスペースを必要とすることなく、光学素子の側周面を高精度に成形することができる光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光学素子の製造方法は、成形素材を一対の金型によってプレス成形することにより光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、前記一対の金型に前記成形素材を配置し、前記成形素材を加熱して軟化させる加熱工程と、加熱軟化後の前記成形素材を前記一対の金型によってプレスするプレス工程と、プレス後の前記成形素材を冷却する冷却工程と、を含み、前記プレス工程において、プレスにより側方に流動する前記成形素材の、前記成形素材の外周面を転写するための外周型への接触の有無を検知し、接触を検知した後にプレスを完了することを特徴とする。

　また、本発明に係る光学素子の製造方法は、上記発明において、前記プレス工程において、プレスにより側方に流動する前記成形素材の、前記外周型の周方向における複数の位置への接触の有無を検知し、前記複数の位置への接触を検知した後にプレスを完了することを特徴とする。

　また、本発明に係る光学素子の製造方法は、上記発明において、前記プレス工程において、前記成形素材の前記外周型への接触を検知した時点から所定時間経過後にプレスを完了することを特徴とする。

　また、本発明に係る光学素子の製造方法は、上記発明において、前記プレス工程において、前記加熱工程における加熱温度よりも融点の高い材料で形成された前記外周型に対して外側から光を照射し、その光の反射率または明度に基づいて、前記成形素材の前記外周型への接触の有無を検知することを特徴とする。

　また、本発明に係る光学素子の製造方法は、上記発明において、前記プレス工程において、前記外周型の径方向に形成された貫通孔に対して棒状の検知手段を挿入し、前記外周型の内周面と一致するように配置した前記検知手段の先端面への前記成形素材の接触の有無に基づいて、前記成形素材の前記外周型への接触の有無を検知することを特徴とする。

　本発明によれば、プレス工程において、プレスにより側方に流動する成形素材が外周型に接触した後にプレスを完了するため、光学素子の側周面を高精度に成形することができ、材料ロスを発生させることなく芯取り加工工程の削減が可能となる。また、本発明によれば、鏡枠側に余剰なスペースを必要とすることなく組み込むことが可能となるため、鏡枠側のコストも低減することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造方法で用いる製造装置の要部を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示すフローチャートである。 図３は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造方法において、各工程における温度と圧力との関係を示すタイムチャートである。 図４は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造方法のプレス工程において行われる、成形素材の接触検知方法の一例を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造方法のプレス工程において、成形素材の接触検知の際に用いられる検知手段の配置の一例を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造方法のプレス工程において行われる、成形素材の接触検知方法の別の一例を示す図である。

　以下、本発明に係る光学素子の製造方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、以下の実施の形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものも含まれる。

［光学素子の製造装置］
　本実施の形態に係る光学素子の製造装置について、図１を参照しながら説明する。光学素子の製造装置（以下、「製造装置」という）１は、成形素材Ｍを一対の金型によってプレス成形することにより光学素子を製造するためのものである。製造装置１は、図１に示すように、上型２および下型３からなる金型と、上プレート４と、下プレート５と、ヒータ６と、スリーブ７と、外周型８と、成形室２０と、を備えている。

　上型２および下型３は、それぞれ段付きの円柱形状（凸状）に形成されており、それぞれの成形面２ａ，３ａが対向するように配置されている。上型２において、成形面２ａとは反対側の端部には、ヒータ６を有する上プレート４が取り付けられている。また、下型３において、成形面３ａとは反対側の端部には、ヒータ６を有する下プレート５が取り付けられている。なお、図１では図示を省略したが、上プレート４には、例えばシャフト等を介して、上型２を加圧する加圧手段が接続されている。

　スリーブ７は、上型２、下型３および外周型８を支持するためのものである。スリーブ７は、円筒状に形成されており、下型３の段差部３ｂに配置されている。スリーブ７には、当該スリーブ７の径方向に貫通した貫通孔７ａが形成されている。なお、この貫通孔７ａは、後記するようにスリーブ７の周方向において、少なくとも１２０度間隔で３箇所形成される（図５参照）。

　外周型８は、光学素子の側周面（外周面）を成形するためのものである。外周型８は、円筒状に形成されており、下型３の段差部３ｃに配置されている。外周型８は、透光性を有し、かつ後記する光学素子の製造方法における加熱工程の加熱温度よりも融点の高い石英ガラス（融点：１０００℃）により構成されている。

　成形室２０は、加熱ステージ２１と、プレスステージ２２と、冷却ステージ２３と、を有している。加熱ステージ２１では、ヒータ６で上型２および下型３を加熱することにより、成形素材Ｍを軟化させる。また、プレスステージ２２では、加熱軟化後の成形素材Ｍを上型２および下型３によってプレスする。そして、冷却ステージ２３では、上型２および下型３を冷却することにより、プレス後の成形素材Ｍを冷却して硬化させる。

［光学素子の製造方法］
　製造装置１を用いた光学素子の製造方法について、図１～図６を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、成形素材Ｍとしてガラス素材（Ｌ－ＬＡＨ５３）を用いた例について説明する。本実施形態に係る光学素子の製造方法では、図１に示すように、上型２、下型３、上プレート４、下プレート５、ヒータ６およびスリーブ７からなる型セットを加熱ステージ２１、プレスステージ２２、冷却ステージ２３の順に移動させながら成形素材Ｍの成形を行う。

（加熱工程）
　加熱工程では、加熱ステージ２１において成形素材Ｍを加熱軟化させる（図２のステップＳ１）。加熱工程では、具体的には図１に示すように、一対の金型、すなわち上型２および下型３の間に成形素材Ｍを配置し、上型２および下型３をヒータ６で加熱する。これにより、成形素材Ｍを軟化点近傍まで加熱して軟化させる。なお、成形素材ＭとしてＬ－ＬＡＨ５３を用いる場合、図３に示すように、加熱工程では５７０℃まで加熱を行う。

（プレス工程）
　プレス工程では、プレスステージ２２において成形素材Ｍをプレスする（図２のステップＳ２）。プレス工程では、具体的には上型２および下型３をヒータ６で加熱し、図３に示すように、成形素材Ｍの屈伏点（６００℃）付近まで加熱を行う。そして、図１および図３に示すように、成形素材Ｍを所定の圧力（例えば０．１Ｍｐａ）でプレスする。これにより、成形素材Ｍが徐々に変形し、上型２の成形面２ａおよび下型３の成形面３ａによって光学機能面が転写されるとともに、外周型８によって側周面が転写される。

　ここで、プレス工程では、成形素材Ｍのプレスを開始した後、プレスにより側方に流動する成形素材Ｍの外周型８への接触の有無を検知し、接触を検知した後にプレスを完了する。プレス工程では、まず検知手段によって、成形素材Ｍが外周型８に接触しているか否かを検知する（図２のステップＳ３）。

　この場合、図４に示すように、スリーブ７の貫通孔７ａの近傍に、検知対象から反射する光の反射率を検知することができる検知センサ３１を配置する。そして、貫通孔７ａを介して、加熱工程における加熱温度よりも融点の高い材料（石英ガラス）で形成された外周型８の外周面に対して、外側から光を照射し、その光の反射率に基づいて、成形素材Ｍが外周型８に接触しているか、すなわち外周面が転写されたか否かを検知する。

　検知センサ３１は、投受光式の非接触式センサであり、成形素材Ｍが外周型８に接触していない状態では、外周型８（石英ガラス）の反射率（例えば３．５％）を検知する。一方、検知センサ３１は、成形素材Ｍが外周型８に接触している状態では、成形素材Ｍ（Ｌ－ＬＡＨ５３）の反射率（例えば８．２％）を検知する。すなわち、成形素材Ｍが外周型８に接触していない状態では、外周型８によってのみ光線が反射されるため反射率が低くなり、成形素材Ｍが外周型８に接触している状態では、外周型８に加えて成形素材Ｍによって光線が反射されるため反射率が高くなる。検知センサ３１は、このような光線の反射率の変化に基づいて、成形素材Ｍの外周型８への接触の有無を検知する。

　ここで、前記した説明では、外周型８が石英ガラスで構成され、成形素材ＭがＬ－ＬＡＨ５３で構成されているため、成形素材Ｍが外周型８に接触している場合の反射率が、接触していない場合の反射率よりも高くなったが、外周型８および成形素材Ｍの材料の組み合わせによっては、成形素材Ｍが外周型８に接触している場合の反射率が接触していない場合の反射率よりも低くなることもある。

　なお、例えば検知センサ３１としてＨｅ－Ｎｅレーザを使用し、光線の明度の変化に基づいて、成形素材Ｍの外周型８への接触の有無を検知してもよい。この場合、成形素材Ｍが外周型８に接触していない状態では、外周型８（石英ガラス）の明度を検知し、成形素材Ｍが外周型８に接触している状態では、成形素材Ｍ（Ｌ－ＬＡＨ５３）の明度を検知する。

　検知センサ３１は、図４に示すように、成形素材Ｍの側周面の中心部Ｃにおける反射率または明度の変化を検知できるように配置することが好ましい。また、プレス工程では、成形素材Ｍの、外周型８の周方向における複数の位置への接触の有無を検知し、当該複数の位置への接触を検知した後にプレスを完了することが好ましい。この場合、例えば図５に示すように、スリーブ７の外周に、少なくとも１２０度間隔で３台の検知センサ３１を設置し、外周型８の内周面に対する成形素材Ｍの接触状態を３箇所で検知する。

　前記したように、検知センサ３１によって成形素材Ｍの外周型８への接触を検知した場合（図２のステップＳ３でＹｅｓ）、成形素材Ｍの外周型８への接触を検知した時点から所定時間経過したか否かを判定し（同図のステップＳ４）、所定時間経過した場合（同図のステップＳ４でＹｅｓ）、プレスを完了する。なお、成形素材Ｍの外周型８への接触を検知しない場合（同図のステップＳ３でＮｏ）や、接触から所定時間経過していない場合（同図のステップＳ４でＮｏ）は、それぞれステップＳ３，Ｓ４の判定を繰り返す。

　ここで、ステップＳ４の処理は、成形素材Ｍが外周型８に接触した際に、側周面の転写幅（最小限０．３ｍｍ）を確保することを目的としている。また、前記した所定時間は、成形素材Ｍや外周型８の材料、大きさ、成形条件等によっても異なるが、例えば９～１１秒に設定される。なお、図５に示すように、スリーブ７の外周に３台の検知センサ３１が設置されている場合、ステップＳ４では、全ての検知センサ３１で成形素材Ｍの外周型８への接触を検知した時点から、例えば９～１１秒経過したか否かを判定する。

（徐冷工程）
　徐冷工程では、プレスステージ２２においてプレス後の成形素材Ｍを徐冷する（図２のステップＳ５）。なお、成形素材ＭとしてＬ－ＬＡＨ５３を用いる場合、図３に示すように、徐冷工程では５３０℃まで徐冷を行う。

（冷却工程）
　冷却工程では、冷却ステージ２３においてプレス後の成形素材Ｍを冷却して硬化させ、光学素子を離型する（図２のステップＳ６）。なお、成形素材ＭとしてＬ－ＬＡＨ５３を用いる場合、図３に示すように、冷却工程では２００℃まで徐冷を行う。

［変形例］
　前記したプレス工程（図２のステップＳ３）では、非接触式センサによって成形素材Ｍの外周型８への接触の有無を検知していたが、圧力センサ等の接触式センサを用いてもよい。この場合、図６に示す製造装置１Ａのように、前記した外周型８に代えて、径方向に貫通した貫通孔８ａを有する外周型８Ａを用い、前記した検知センサ３１に代えて、超硬合金性の超硬棒３３を備える検知センサ３２（棒状の検知手段）を用いる。

　なお、接触式センサを用いる場合、外周型８Ａは透光性を有していなくてもよく、例えば上型２および下型３と同じ材料（超硬合金）で構成することができる。また、貫通孔８ａは、外周型８Ａの周方向において、スリーブ７の貫通孔７ａに対応する位置に少なくとも１２０度間隔で３箇所形成されている。また、検知センサ３２は、前記した検知センサ３１（図５参照）と同様に、スリーブ７の外周に、少なくとも１２０度間隔で３台設置される。

　本変形例に係るプレス工程では、図６に示すように、外周型８Ａの３つの貫通孔８ａに対して超硬棒３３を挿入し、外周型８Ａの内周面８ｂと一致するように超硬棒３３の先端面３３ａをそれぞれ配置する。すなわち、外周型８Ａの内周面８ｂと超硬棒３３の先端面３３ａとを面一にする。そして、これらの先端面３３ａへの成形素材Ｍの接触の有無、すなわち先端面３３ａに加わる圧力の変化に基づいて、成形素材Ｍが外周型８Ａに接触しているか否かを検知する。そして、成形素材Ｍの外周型８Ａへの接触を検知した後、超硬棒３３を貫通孔８ａから引き抜き、前記した図２のステップＳ４～Ｓ６を実施して光学素子を製造する。

　以上説明したような光学素子の製造方法によれば、プレス工程において、プレスにより側方に流動する成形素材Ｍが外周型８，８Ａに接触した後にプレスを完了するため、光学素子の側周面を高精度に成形することができ、材料ロスを発生させることなく芯取り加工工程の削減が可能となる。また、鏡枠側に余剰なスペースを必要とすることなく組み込むことが可能となるため、鏡枠側のコストも低減することができる。

　以上、本発明に係る光学素子の製造方法について、発明を実施するための形態により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。

　例えば、前記した図４および図６では、プレス工程において、非接触式の検知センサ３１または接触式の検知センサ３２を用いて、反射率、明度または圧力の変化に基づいて成形素材Ｍの外周型８，８Ａへの接触の有無を検知していたが、温度の変化に基づいて接触の有無を検知することも可能である。

　この場合、前記した外周型８，８Ａに代えて、外周から径方向に所定深さ（例えば貫通孔８ａの半分の深さ）で形成された孔を有する外周型を用い、前記した検知センサ３１，３２に代えて、熱電対からなる検知センサを用いる。そして、プレス工程において、外周型の孔に対して熱電対を挿入し、外周型の温度の変化に基づいて、成形素材Ｍが外周型に接触しているか否かを検知する。すなわち、成形素材Ｍが外周型に接触している状態では、接触していない状態と比較して外周型の温度が高くなるため、その温度の変化を熱電対によって検知する。そして、成形素材Ｍの外周型への接触を検知した後、熱電対を外周型の孔から引き抜き、前記した図２のステップＳ４～Ｓ６を実施して光学素子を製造する。

　また、前記した図１、図４および図６では、外周型８，８Ａが下型３とは別体で構成されていたが、下型３と一体で構成されていてもよい。また、前記した図１では、外周型８が石英ガラスによって構成されていたが、透光性を有し、かつ加熱工程の加熱温度よりも融点が高い材料であれば石英ガラス以外であってもよく、例えばサファイアガラス（融点：２０００℃）を用いてもよい。

　また、前記した図２では、金型循環式の製造装置１（図１参照）を用いた製造方法について説明したが、金型固定式の製造装置であっても、図２に示す工程に従って光学素子を製造することが可能である。

　１，１Ａ　製造装置（光学素子の製造装置）
　２　上型
　２ａ　成形面
　３　下型
　３ａ　成形面
　３ｂ，３ｃ　段差部
　４　上プレート
　５　下プレート
　６　ヒータ
　７　スリーブ
　７ａ　貫通孔
　８，８Ａ　外周型
　８ａ　貫通孔
　８ｂ　内周面
　２０　成形室
　２１　加熱ステージ
　２２　プレスステージ
　２３　冷却ステージ
　３１，３２　検知センサ（検知手段）
　３３　超硬棒
　３３ａ　先端面
　Ｍ　成形素材

Claims (5)

1. 　成形素材を一対の金型によってプレス成形することにより光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、
   　前記一対の金型に前記成形素材を配置し、前記成形素材を加熱して軟化させる加熱工程と、
   　加熱軟化後の前記成形素材を前記一対の金型によってプレスするプレス工程と、
   　プレス後の前記成形素材を冷却する冷却工程と、
   　を含み、
   　前記プレス工程において、プレスにより側方に流動する前記成形素材の、前記成形素材の外周面を転写するための外周型への接触の有無を検知し、接触を検知した後にプレスを完了することを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 　前記プレス工程において、プレスにより側方に流動する前記成形素材の、前記外周型の周方向における複数の位置への接触の有無を検知し、前記複数の位置への接触を検知した後にプレスを完了することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
3. 　前記プレス工程において、前記成形素材の前記外周型への接触を検知した時点から所定時間経過後にプレスを完了することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
4. 　前記プレス工程において、前記加熱工程における加熱温度よりも融点の高い材料で形成された前記外周型に対して外側から光を照射し、その光の反射率または明度に基づいて、前記成形素材の前記外周型への接触の有無を検知することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法。
5. 　前記プレス工程において、前記外周型の径方向に形成された貫通孔に対して棒状の検知手段を挿入し、前記外周型の内周面と一致するように配置した前記検知手段の先端面への前記成形素材の接触の有無に基づいて、前記成形素材の前記外周型への接触の有無を検知することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法。

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