JP2006111484A - 光学素子の成形型及び成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却時の光学素子素材が均等に収縮するよう金型に温度分布をもたせ、中口径（φ３０）以下で偏肉の大きい光学素子を短時間で精度よく成形することができる光学素材の成形型及び成形方法を提供する。
【解決手段】 加熱軟化させた光学素子素材６を加圧して成形面の光学面形状を転写する光学素子の成形型において、加熱用及び冷却用ヒータプレート３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂとの接触部である背面部に、光学素子素材６の薄肉部に対応する凹部１１ａ，１２ａと、光学素子素材６の厚肉部に対応する凸部１１ｂ，１２ｂとを設けることにより、冷却用ヒータプレート４Ａ，４Ｂによる冷却工程で成形型に温度分布をもたせた構成としてある。
【選択図】 図２Ａ

Description

本発明は、加熱軟化させた光学素子素材を成形型の成形面で加圧した後に冷却する光学素子の成形型及び成形方法に関し、特に、中口径（φ３０）以下で偏肉の大きいレンズを短時間で精度よく成形することができる光学素子の成形型及び成形方法に関する。

従来からガラス等の光学素子素材を金型内で加熱軟化させてプレス成形するレンズ、プリズム等の光学素子の成形装置及び成形方法が知られている。例えば、特開平８−２５９２４０号（特許文献１）では、複数の独立した成形ブロック内に載置した光学素子素材を、複数個同時にチャンバー内に投入し、前記光学素子素材を、温度制御ブロックと均熱手段を有する加熱ステージ、加圧成形ステージ、冷却ステージの各ステージを所望の光学素子成形温度プロフィルで移動させながら複数個同時に同一成形条件で加熱軟化し、加圧成形する光学素子の成形装置及び成形方法が提案されている。

このような従来の光学素子の成形装置及び成形方法では、光学素子素材の加熱又は冷却を上下金型の各底面部を、加熱ステージ又は冷却ステージに接触させ、上下金型の熱伝導により光学素子素材を加熱又は冷却していた。
特開平８−２５９２４０号公報 特開２００４−１３７１４６号公報

ところが、上述した従来の光学素子の成形装置及び成形方法では、図９及び図１０に示すように、プレス成形後の光学素子素材１００，２００を上下金型１１０，１２０又は２１０，２２０の熱伝導により吸熱して冷却していたが、例えば、凸レンズや凹レンズのように、中心部と外周部とで偏肉の大きい光学素子素材１００，２００を冷却する場合は、収縮量の小さい薄肉の箇所の収縮が先に完了して固化し、収縮量の大きい厚肉の箇所の収縮がこれに遅れて完了する。

このため、凸レンズならば遅れて固化する中心部、凹レンズならば遅れて固化する外周部が、上下金型１１０，１２０又は２１０，２２０の成形面から剥離した状態で収縮してしまうので（図９及び図１０の点線で囲んだ箇所を参照）、成形品たる光学素子の形状精度が低下してしまうという問題があった。

なお、特開２００４−１３７１４６号（特許文献２）では、相対する一対の上型と下型とからなる成形型の間に光学ガラス素材を配置し、前記成形型を加熱するとともに、前記光学ガラス素材を流動可能な状態まで加熱し、前記成形型を相対的に接近させることにより押圧成形を行い、冷却後に前記成形型と前記光学ガラス素材とを離反させて前記光学ガラス素材を取り出す成形方法において、前記加熱時、前記冷却時、又は前記加熱時及び冷却時に、前記成形型に温度分布を付与する光学ガラス素子の成形方法が提案されている。

しかし、このよう成形方法では、温度分布を付与するためのカートリッジヒータ、ランプヒータ等の大掛かりな設備が必要であり、大口径の光学素子をプレス成形する場合には好適であるが、特開平８−２５９２４０号の如き成形装置及び成形方法により、中口径（φ３０）以下の光学素子をプレス成形する場合には、構成が複雑かつ大掛かりで適用が困難である。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、冷却時の光学素子素材が均等に収縮するよう金型に温度分布をもたせ、中口径（φ３０）以下で偏肉の大きい光学素子を短時間で精度よく成形することができる光学素材の成形型及び成形方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の光学素材の成形型は、加熱軟化させた光学素子素材を加圧して成形面の光学面形状を転写する光学素子の成形型において、加熱用及び冷却用ヒータプレートとの接触部である背面部に、前記光学素子素材の薄肉部に対応する凹部と、前記光学素子素材の厚肉部に対応する凸部とを設けることにより、前記冷却用ヒータプレートによる冷却工程で前記成形型に温度分布をもたせた構成としてある。

好ましくは、前記成形型が、最大外径をφＸ、中心部と外周部の光軸方向厚さの比を偏肉ｈとした凸レンズを成形するものであって、前記成形型の最大外径をφｋとするとともに、光軸方向に対する前記成形面から底面までの中心厚さをＣｔとし、前記凸部の外径φoが下記式（１）を満たす構成とする。

φ_o＝φｋ×α×Ｃｔ^0.5×Ｌｏｇ（ｅ）ｈ＋φｋ …（１）

但し、φ_o＞０、係数αは−１＜α＜−０．２、βは成形型の最大外径φｋに対する成形面の最大外径の比であって１＜β＜４、φｋ＞φＸ×βを満たす。

好ましくは、前記成形型が、最大外径をφＸ、中心部と外周部の光軸方向厚さの比を偏肉ｈとした凹レンズを成形するものであって、前記成形型の最大外径をφｋとするとともに、光軸方向に対する前記成形面から底面までの中心厚さをＣｔとし、前記凹部の内径φ_iが下記式（２）を満たす構成とする。

φ_i＝φｋ×α×Ｃｔ^0.5×Ｌｏｇ（ｅ）ｈ …（２）

但し、φ_i＜φｋ、係数αは０．２＜α＜１、βは成形型の最大外径φｋに対する成形面の最大外径の比であって１＜β＜４、φｋ＞φＸ×βを満たす。

好ましくは、前記凹部又は凸部を輪帯状又は円柱状とした構成、又は、前記凹部及び凸部を交互に輪帯状に設けることにより、段階的な温度分布を付与した構成とする。
上記目的を達成するために、本発明の光学素材の成形方法は、加熱軟化させた光学素子素材を加圧して成形型の成形面である光学面形状を転写する光学素子の成形方法において、前記成形型の加熱用及び冷却用ヒータプレートとの接触部である背面部に、前記光学素子素材の薄肉部に対応する凹部と、前記光学素子素材の厚肉部に対応する凸部とを設け、前記加熱用ヒータプレートによって加熱軟化させた光学素子素材を前記成形型により加圧した後、該成形型の背面部を前記冷却用ヒータプレートに接触させて熱伝導で冷却することにより、成形型に温度分布をもたせるようにしてある。

好ましくは、前記凹部又は凸部を輪帯状又は円柱状とし、又は、前記凹部及び凸部を交互に輪帯状に設けることにより、段階的な温度分布を付与するようにする。

本発明の光学素材の成形型及び成形方法によれば、光学素子素材の偏肉に対応した凹凸部を成形型の背面部に設けることにより、冷却時の光学素子素材が均等に収縮するよう金型に温度分布をもたせ、中口径（φ３０）以下で偏肉の大きいレンズを短時間で精度よく成形することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る光学素材の成形型及び成形方法について、図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る光学素子の成形型を用いた成形装置を示す説明図である。図２Ａは上記成形型の部分断面図であり、図２Ｂは上記成形型の平面図である。図３は上記成形装置を用いた成形方法の各工程における温度と荷重の状態を示すグラフである。

図１において、成形装置１は、加熱路であるチャンバー２内に、上下一対の加熱用ヒータプレート３Ａ，３Ｂ及び冷却用ヒータプレート４Ａ，４Ｂを並設した構成としてある。また、上側の加熱用ヒータプレート３Ａ及び冷却用ヒータプレート４Ａはそれぞれ油圧シリンダ５，５のピストンロッドに取り付けてあり、下側の加熱用ヒータプレート３Ｂ及び冷却用ヒータプレート４Ｂへ搬送されてきた成形型１０への加圧が可能となっている。

図２Ａ，図２Ｂに示すように、本実施形態に係る成形型１０は、両凹レンズを加圧成形するためのものであり、金属製の上型１１及び下型１２とスリーブ１３からなっている。上型１１及び下型１２の背面部には、光学素子素材６の薄肉部（中心部）に対応する凹部１１ａ，１２ａと、該光学素子素材６の厚肉部（外周部）に対応する凸部１１ｂ，１２ｂとが設けてある。

本実施形態では、前記背面部中心の凹部１１ａ，１２ａを円柱状とし、その外側に輪帯状の凸部１１ｂ，１２ｂを形成した構成としてある。このような構成により、後述する光学素子素材６の冷却工程において、冷却用ヒータプレート４Ａ，４Ｂとの非接触部である凹部１１ａ，１２ａと、接触部である凸部１１ｂ，１２ｂとの熱伝達量を相違させることができ、上型１１及び下型１２のそれぞれに、光学素子素材６の偏肉に応じた温度分布をもたせるようにしてある。すなわち、成形するレンズに応じて、冷却用ヒータプレート４Ａ，４Ｂとの接触面積、接触面形状及び接触位置、上型１１及び下型１２の背面部から成形面までの距離を調整することにより、冷却時における上型１１及び下型１２の各成形面の温度分布勾配を制御することができる。

また、図１に示すように、上型１１及び下型１２の温度変化は、加熱用及び冷却用ヒータプレート３Ａ，３Ｂ及び４Ａ，４Ｂにより制御するが、好ましくは、上型１１及び下型１２に下記式（２）を満たす内径の凹部１１ａ，１２ａを設けることにより、３０秒以内に成形型１０の最大温度差が１０℃以上の成形条件で、従来の成形方法に比べて、上型１１及び下型１２に温度分布を急激に付与することが可能となる。

φ_i＝φｋ×α×Ｃｔ^0.5×Ｌｏｇ（ｅ）ｈ …（２）

但し、φＸは成形品たる前記両凹レンズの最大外径、偏肉ｈは前記両凹レンズの中心部と外周部の光軸方向厚さの比、φｋは上型又は下型の最大外径、Ｃｔは光軸方向に対する前記成形面から底面までの中心厚さ、φ_iは凹部の内径であってφ_i＜φｋを満たし、係数αは０．２＜α＜１を満たし、βは成形型の最大外径φｋに対する成形面の最大外径の比であって１＜β＜４、φｋ＞φＸ×βを満たす。

次に、本実施形態に係る光学素子の成形方法について説明する。図１において、まず、図示しない押出し手段により、成形型１０をチャンバー２内の下側の加熱用ヒータプレート３Ａ上に搬送する。そして、例えば、光学素子素材６のガラス転移点が約５１０℃の場合、上型１１及び下型１２の各成形面が約５５５℃、光学素子素材６が約５５０℃まで加熱した時点で、油圧シリンダ５を駆動させ、上側の加熱用ヒータプレート３Ｂによって加熱溶融した光学素子素材６の加圧成形を開始する（図３のＳ１参照）。

次いで、前記押出し手段により、成形型１０を約５４０℃（温度差ΔＴ＝１０℃）に加熱した下側の冷却用ヒータプレート４Ａ上に搬送し、油圧シリンダ５を駆動させ、上側の冷却用ヒータプレート４Ｂによって加圧成形後の光学素子素材６を冷却する（図３のＳ２参照）。

このとき、図２Ａに示すように、上型１１及び下型１２の背面部に、光学素子素材６の薄肉部（中心部）に対応する凹部１１ａ，１２ａと、該光学素子素材６の厚肉部（外周部）に対応する凸部１１ｂ，１２ｂとを設けたことにより、上型１１及び下型１２の中心部と外周部とで、最大温度差１０℃以上の温度分布が生じる。

これにより、光学素子素材６の中心部の熱伝達速度が遅く、外周部の熱伝達速度が早くなり、冷却の過程において、該光学素子素材６の中心部は流動可能で、外周部は流動不可能な状態を発生させることができる。すなわち、該光学素子素材６の外周部の収縮に対応して、中心部は外周部の収縮による成形面と光学素子素材６との剥離が発生しないようにさらに変形を続けることが可能となる。この結果、冷却時における光学素子素材６が、上型１１及び下型１２の各成形面から剥離しないで均等に収縮する。

その後、前記押出し手段により、成形型１０をチャンバー２の外部に搬出し、上型１１及び下型１２を型開きして、最終的な成形品たる光学素子（両凹レンズ）を離型する。

このような本実施形態に係る光学素材の成形型及び成形方法によれば、光学素子素材６の偏肉に対応した凹部１１ａ，１２ａ及び凸部１１ｂ，１２ｂを、上型１１及び下型１２の背面部に設けることにより、冷却時の光学素子素材６が均等に収縮するよう上型１１及び下型１２に温度分布をもたせ、中口径（φ３０）以下で偏肉の大きい両凹レンズを短時間で精度よく成形することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る光学素材の成形型及び成形方法について、図４Ａ，図４Ｂを参照しつつ説明する。図４Ａは本発明の第２実施形態に係る成形型の部分断面図であり、図４Ｂは上記成形型の平面図である。

これら図面において、本実施形態に係る成形型２０は、両凸レンズを加圧成形するためのものであり、金属製の上型２１及び下型２２とスリーブ２３からなっている。上型２１及び下型２２の背面部には、光学素子素材６の厚肉部（中心部）に対応する凸部２１ａ，２２ａと、該光学素子素材６の薄肉部（外周部）に対応する凹部２１ｂ，２２ｂとが設けてある。

本実施形態では、前記背面部中心の凸部２１ａ，２２ａを円柱状とし、その外側に輪帯状の凹部２１ｂ，２２ｂを形成した構成としてある。このような構成により、光学素子素材６の冷却工程において、冷却用ヒータプレート４Ａ，４Ｂ（図１参照）との接触部である凸部２１ａ，２２ａと、非接触部である凹部２１ｂ，２２ｂとの熱伝達量を相違させることができ、上型２１及び下型２２のそれぞれに、光学素子素材６の偏肉に応じた温度分布をもたせるようにしてある。

また、第１実施形態と同様に、上型２１及び下型２２の温度変化は、加熱用及び冷却用ヒータプレート３Ａ，３Ｂ及び４Ａ，４Ｂ（図１参照）により制御するが、好ましくは、上型２１及び下型２２に下記式（１）を満たす外径の凸部２１ａ，２２ａを設けることにより、３０秒以内に成形型１０の最大温度差が１０℃以上の成形条件で、従来の成形方法に比べて、上型２１及び下型２２に温度分布を急激に付与することが可能となる。

φ_o＝φｋ×α×Ｃｔ^0.5×Ｌｏｇ（ｅ）ｈ＋φｋ …（１）

但し、φＸは成形品たる前記両凸レンズの最大外径、偏肉ｈは前記両凸レンズの中心部と外周部の光軸方向厚さの比、φｋは上型又は下型の最大外径、Ｃｔは光軸方向に対する前記成形面から底面までの中心厚さ、φ_oは凸部の外径であってφ_o＞０を満たし、係数αは−１＜α＜−０．２を満たし、βは成形型の最大外径φｋに対する成形面の最大外径の比であって１＜β＜４、φｋ＞φＸ×βを満たす。

このような本実施形態に係る光学素材の成形型及び成形方法によれば、光学素子素材６の偏肉に対応した凸部２１ａ，２２ａ及び凹部２１ｂ，２２ｂを、上型２１及び下型２２の背面部に設けることにより、第１実施形態と同様に、冷却時の光学素子素材６が均等に収縮するよう上型２１及び下型２２に温度分布をもたせ、中口径（φ３０）以下で偏肉の大きい両凸レンズを短時間で精度よく成形することができる。

なお、本発明の光学素材の成形型及び成形方法は、上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、上型及び下型の背面部に、凹部及び凸部を交互に輪帯状に設けることにより、段階的な温度分布を付与した構成としてもよい。

図５Ａは本発明のその他変更例に係る両凹レンズ成形用の成形型の部分断面図であり、図５Ｂは上記成形型の平面図である。同じく図６Ａは本発明のその他変更例に係る両凸レンズ成形用の成形型の部分断面図であり、図６Ｂは上記成形型の平面図である。

図５Ａ及び図５Ｂにおいて、成形型３０は、両凹レンズを加圧成形するためのものであり、金属製の上型３１及び下型３２とスリーブ３３からなっている。上型３１の背面部には、光学素子素材６の薄肉部（中心部）に対応する円柱状の凹部３１ａを中心に、輪帯状の凸部３１ｂ，３１ｄ，３１ｆと凹部３１ｃ，３１ｅをそれぞれ交互に設けた構成としてある。同じく、下型３２の背面部には、光学素子素材６の薄肉部（中心部）に対応する円柱状の凹部３２ａを中心に、輪帯状の凸部３２ｂ，３２ｄ，３２ｆと凹部３２ｃ，３２ｅをそれぞれ交互に設けた構成としてある。

また、図６Ａ及び図６Ｂにおいて、成形型４０は、両凸レンズを加圧成形するためのものであり、金属製の上型４１及び下型４２とスリーブ４３からなっている。上型４１の背面部には、光学素子素材６の厚肉部（中心部）に対応する円柱状の凸部４１ａを中心に、輪帯状の凹部４１ｂ，４１ｄと凸部４１ｃ，４１ｅをそれぞれ交互に設けた構成としてある。同じく、下型４２の背面部には、光学素子素材６の厚肉部（中心部）に対応する円柱状の凸部４２ａを中心に、輪帯状の凹部４２ｂ，４２ｄと凸部４２ｃ，４２ｅをそれぞれ交互に設けた構成としてある。

このような構成により、レンズの偏肉により細かく対応した段階的な温度分布を、上型３１，４１及び下型３２，４２に付与することができ、最終的な成形品たる両凹レンズ及び両凸レンズの形状精度をさらに向上させることが可能となる。

表１〜表３は、凸レンズを成形する成形型の背面部に設けた凸部（冷却用ヒータプレートとの接触部）の外径φ_oと前記凸レンズの偏肉ｈとの関係を示すものであり、表１は係数α＝−０．２の場合、表２は係数α＝−０．６の場合、表３は係数α＝−１の場合を示す。その他の条件として、成形型の最大外径φｋ＝３０、Ｌｏｇ（ｅ）＝２．７１８２８２、成形面直径／型厚さ＝１とした。また、これら表１〜表３に示す実施例の結果を図７に示す。

表４〜表６は、凹レンズを成形する成形型の背面部に設けた凹部（冷却用ヒータプレートとの非接触部）の外径φ_iと前記凹レンズの偏肉ｈとの関係を示すものであり、表４は係数α＝０．２の場合、表５は係数α＝０．６の場合、表６は係数α＝１の場合を示す。その他の条件として、成形型の最大外径φｋ＝３０、Ｌｏｇ（ｅ）＝２．７１８２８２、成形面直径／型厚さ＝１とした。また、これら表４〜表６に示す実施例の結果を図８に示す。

図１は本実施形態に係る光学素子の成形型を用いた成形装置を示す説明図である。 上記成形型の部分断面図である。 上記成形型の平面図である。 上記成形装置を用いた成形方法の各工程における温度と荷重の状態を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る成形型の部分断面図である。 上記成形型の平面図である。 本発明のその他変更例に係る両凹レンズ成形用の成形型の部分断面図である。 上記成形型の平面図である。 同じく図６Ａは本発明のその他変更例に係る両凸レンズ成形用の成形型の部分断面図である。 上記成形型の平面図である。 凸レンズを成形する成形型の背面部に設けた凸部（冷却用ヒータプレートとの接触部）の外径φ_oと前記凸レンズの偏肉ｈとの関係を示すグラフである。 凹レンズを成形する成形型の背面部に設けた凹部（冷却用ヒータプレートとの非接触部）の外径φ_iと前記凹レンズの偏肉ｈとの関係を示すグラフである。 従来の凸レンズを成形する成形型を示す部分断面図である。 従来の凹レンズを成形する成形型を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 成形装置
２ チャンバー
３ 加熱用ヒータプレート
４ 冷却用ヒータプレート
５ 油圧シリンダ
６ 光学素子素材
１０，２０，３０，４０ 成形型
１１，２１，３１，４１ 上型
１２，２２，３２，４２ 下型
１３，２３，３３，４３ スリーブ
１１ａ，１２ａ，３１ａ，３２ａ 円柱状の凹部
２１ａ，２２ａ，４１ａ，４２ａ 円柱状の凸部
２１ｂ，２２ｂ，３１ｃ，３１ｅ，３２ｃ，３２ｅ，４１ｂ，４１ｄ，４２ｂ，４２ｄ 輪帯状の凹部
１１ｂ，１２ｂ，３１ｂ，３１ｄ，３１ｆ，３２ｂ，３２ｄ，３２ｆ，４１ｃ，４２ｃ，４１ｅ，４２ｅ 輪帯状の凸部

Claims (8)

1. 加熱軟化させた光学素子素材を加圧して成形面の光学面形状を転写する光学素子の成形型において、
   加熱用及び冷却用ヒータプレートとの接触部である背面部に、前記光学素子素材の薄肉部に対応する凹部と、前記光学素子素材の厚肉部に対応する凸部とを設けることにより、前記冷却用ヒータプレートによる冷却工程で前記成形型に温度分布をもたせたことを特徴とする光学素子の成形型。
2. 前記成形型が、最大外径をφＸ、中心部と外周部の光軸方向厚さの比を偏肉ｈとした凸レンズを成形するものであって、
   前記成形型の最大外径をφｋとするとともに、光軸方向に対する前記成形面から底面までの中心厚さをＣｔとし、前記凸部の外径φoが下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項１記載の光学素子の成形型。
   
   φ_o＝φｋ×α×Ｃｔ^0.5×Ｌｏｇ（ｅ）ｈ＋φｋ …（１）
   
   但し、φ_o＞０、係数αは−１＜α＜−０．２、βは成形型の最大外径φｋに対する成形面の最大外径の比であって１＜β＜４、φｋ＞φＸ×βを満たす。
3. 前記成形型が、最大外径をφＸ、中心部と外周部の光軸方向厚さの比を偏肉ｈとした凹レンズを成形するものであって、
   前記成形型の最大外径をφｋとするとともに、光軸方向に対する前記成形面から底面までの中心厚さをＣｔとし、前記凹部の内径φ_iが下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項１記載の光学素子の成形型。
   
   φ_i＝φｋ×α×Ｃｔ^0.5×Ｌｏｇ（ｅ）ｈ …（２）
   
   但し、φ_i＜φｋ、係数αは０．２＜α＜１、βは成形型の最大外径φｋに対する成形面の最大外径の比であって１＜β＜４、φｋ＞φＸ×βを満たす。
4. 前記凹部又は凸部を輪帯状又は円柱状としたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光学素子の成形型。
5. 前記凹部及び凸部を交互に輪帯状に設けることにより、段階的な温度分布を付与したことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の光学素子の成形型。
6. 加熱軟化させた光学素子素材を加圧して成形型の成形面である光学面形状を転写する光学素子の成形方法において、
   前記成形型の加熱用及び冷却用ヒータプレートとの接触部である背面部に、前記光学素子素材の薄肉部に対応する凹部と、前記光学素子素材の厚肉部に対応する凸部とを設け、前記加熱用ヒータプレートによって加熱軟化させた光学素子素材を前記成形型により加圧した後、該成形型の背面部を前記冷却用ヒータプレートに接触させて熱伝導で冷却することにより、前記成形型に温度分布をもたせたことを特徴とする光学素子の成形方法。
7. 前記凹部又は凸部を輪帯状又は円柱状としたことを特徴とする請求項６記載の光学素子の成形方法。
8. 前記凹部及び凸部を交互に輪帯状に設けることにより、段階的な温度分布を付与したことを特徴とする請求項６又は７記載の光学素子の成形方法。