(57)【要約】【課題】  本発明は溶融樹脂を使用してプラスチック光学素子を成形する光学素子の成形方法に関し、特に光学素子成形時の仮鏡面駒の温度と常温時の温度差による仮鏡面駒の変形の影響を無くし、精度のよい光学素子の成形を行う光学素子の成形方法を提供するものである。【解決手段】  本発明は溶融樹脂を使用し、仮鏡面駒を用いて射出成形処理を行った後、成形時の温度環境において上記仮鏡面駒の光学面形状の測定を行い、この光学面形状に基づいて、常温環境における成形品の光学面形状に対する収縮変形率を算出し、この収縮変形率に基づいて成形時の温度環境における光学素子の光学面形状を算出する。そして、この光学面形状に対する仮鏡面駒の光学面形状の差分を算出し、仮鏡面駒の光学面を成形時の温度環境において修正加工し、理想光学面形状の鏡面駒を生成する。【選択図】  図１
2006205596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮鏡面駒を用いて光学素子を成形する工程と、
前記仮鏡面駒の温度を、前記光学素子成形時の仮鏡面駒の温度領域の第１の温度に設定した状態で、前記仮鏡面駒の光学面形状を測定する工程と、
精密測定環境下において、前記光学素子の第１の光学面形状を測定する工程と、
前記仮鏡面駒の光学面形状と、前記光学素子の第１の光学面形状との差から、前記光学素子の収縮変形率を算出する工程と、
該収縮変形率を用いて、前記光学素子の理想光学面形状の第１の温度における光学素子の第２の光学面形状を算出する工程と、
前記仮鏡面駒の光学面形状と、前記光学素子の第２の光学面形状との差から、形状誤差量を算出する工程と、
該形状誤差量を相殺する方向に、前記仮鏡面駒の温度を前記第１の温度に設定した状態で、前記仮鏡面駒を修正加工する工程と、
該修正加工した鏡面駒を用いて光学素子を成形する工程と、
を有することを特徴とする光学素子の成形方法。
【請求項２】
前記仮鏡面駒の光学面形状を測定する際の前記第１の温度は、使用する樹脂のガラス転移点温度−１０℃以上であり、シリンダ内の樹脂溶融温度以下の温度であることを特徴とする請求項１記載の光学素子の成形方法。
【請求項３】
仮鏡面駒を用いて光学素子を成形する工程と、
精密測定環境温度である第１の温度で、前記光学素子の第１の光学面形状を測定する工程と、
前記仮鏡面駒の第１の光学面形状を、前記第１の温度で測定する工程と、
前記光学素子成形時の第２の温度での仮鏡面駒の第２の光学面形状をシミュレーションにより算出する工程と、
前記仮鏡面駒の第２の光学面形状と、前記光学素子の第１の光学面形状との差から、前記光学素子の収縮変形率を算出する工程と、
前記収縮変形率を用いて、前記光学素子の理想光学面形状の前記第２の温度における光学素子の第２の光学面形状を算出する工程と、
前記仮鏡面駒の第１の光学面形状と、前記光学素子の第２の光学面形状との差から、形状誤差量を算出する工程と、
該形状誤差量を相殺する、前記仮鏡面駒の第３の光学面形状を算出する工程と、
前記第３の光学面形状の、前記第１の温度での第４の光学面形状をシミュレーションにより算出する工程と、
前記第４の光学面形状に、前記仮鏡面駒を修正加工する工程と、
該修正加工した鏡面駒を用いて光学素子を成形する工程と、
を有することを特徴とする光学素子の成形方法。
【請求項４】
前記第１の温度は、２０℃±３℃の間の温度であることを特徴とする請求項３記載の光学素子の成形方法。
【請求項５】
前記第２の温度は、使用する樹脂のガラス転移点温度−１０℃以上であり、シリンダ内の樹脂溶融温度以下の温度であることを特徴とする請求項３、又は４記載の光学素子の成形方法。
【請求項６】
前記請求項１乃至請求項５の何れかの方法により成形されることを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶融樹脂を使用してプラスチック光学素子を成形する光学素子の成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、溶融樹脂を使用してプラスチック光学素子を成形する成形方法が使用されている。図６は従来の成形方法を説明する図である。同図に示す２０は、例えば光学素子の鏡面駒として使用され、上記成形方法において金型に取り付けられる入子の常温時の形状を示す。溶融樹脂が充填されると、溶融樹脂によって高温（成形温度）となり、膨張し、例えば同図に示す２１の形状となる。この状態で、成形処理が行われ、２２に示す形状の成形品が生成され、冷却によって収縮し、成形品は同図に示す２３の形状となる。しかし、上記２３に示す成形品は、成形条件によって収縮率が変化する。そのため、得られた成形品の光学面形状は、同図に示す理想光学面形状２４と異なる。
【０００３】
そこで、従来高精度な光学素子を得るため、以下に説明する特許文献１に記載される成形方法が提案されている。すなわち、図７に示す形状２０の鏡面駒の光学面形状と、成形品２３の光学面形状から成形品の収縮変形率を算出し、この収縮変形率に基づいて鏡面駒を修正加工し、理想光学面形状２４を有する鏡面駒を得ようとするものである。
【特許文献１】特許第２８９８１９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記成形方法では以下のような問題がある。すなわち、成形時、鏡面駒は、金型に設置された温度調節機構により加熱されている。具体的には、鏡面駒の温度は、１３０℃前後の温度になっている。この状態で、キャビティには２００℃前後の樹脂が充填される。そのため、鏡面駒表面の温度は、瞬間的に１３０℃以上の温度になる。一方、精密形状測定を行う際の測定環境は、通常２０℃程度の室温である。そのため、成形時との温度差により鏡面駒が変形し、成形時の鏡面駒の形状を把握できない。
【０００５】
鏡面駒に使用される金属の線膨張係数は１０×１０−６  ℃−１である。そのため、仮に１００℃の温度差があると、１０ｍｍの長さに対して１０μｍの変形が生じる。このような変形は、１μｍ以下の形状精度を要求される光学素子において問題となる。また、成形品の形状誤差を相殺するような形状に鏡面駒を加工する際、鏡面駒の温度が成形時の温度と異なる温度であると、成形時、温度差による線膨張が生じ、鏡面駒が変形する。このため、狙った誤差補正形状を得られず、成形品の形状誤差を相殺することができない。
【０００６】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、光学素子成形時の仮鏡面駒の温度と常温時の温度差による仮鏡面駒の変形の影響を無くし、精度のよい光学素子の成形を行う光学素子の成形方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は本発明によれば、仮鏡面駒を用いて光学素子を成形する工程と、前記仮鏡面駒の温度を、前記光学素子成形時の仮鏡面駒の温度領域の第１の温度に設定した状態で、前記仮鏡面駒の光学面形状を測定する工程と、精密測定環境下において、前記光学素子の第１の光学面形状を測定する工程と、前記仮鏡面駒の光学面形状と、前記光学素子の第１の光学面形状との差から、前記光学素子の収縮変形率を算出する工程と、該収縮変形率を用いて、前記光学素子の理想光学面形状の第１の温度における光学素子の第２の光学面形状を算出する工程と、前記仮鏡面駒の光学面形状と、前記光学素子の第２の光学面形状との差から、形状誤差量を算出する工程と、該形状誤差量を相殺する方向に、前記仮鏡面駒の温度を前記第１の温度に設定した状態で、前記仮鏡面駒を修正加工する工程と、該修正加工した鏡面駒を用いて光学素子を成形する工程とを有する光学素子の成形方法を提供することによって達成できる。
【０００８】
また、前記仮鏡面駒の光学面形状を測定する際の前記第１の温度は、例えば使用する樹脂のガラス転移点温度−１０℃以上であり、シリンダ内の樹脂溶融温度以下の温度である。
【０００９】
上記課題は本発明によれば、仮鏡面駒を用いて光学素子を成形する工程と、精密測定環境温度である第１の温度で、前記光学素子の第１の光学面形状を測定する工程と、前記仮鏡面駒の第１の光学面形状を、前記第１の温度で測定する工程と、前記光学素子成形時の第２の温度での仮鏡面駒の第２の光学面形状をシミュレーションにより算出する工程と、前記仮鏡面駒の第２の光学面形状と、前記光学素子の第１の光学面形状との差から、前記光学素子の収縮変形率を算出する工程と、前記収縮変形率を用いて、前記光学素子の理想光学面形状の前記第２の温度における光学素子の第２の光学面形状を算出する工程と、前記仮鏡面駒の第１の光学面形状と、前記光学素子の第２の光学面形状との差から、形状誤差量を算出する工程と、該形状誤差量を相殺する、前記仮鏡面駒の第３の光学面形状を算出する工程と、前記第３の光学面形状の、前記第１の温度での第４の光学面形状をシミュレーションにより算出する工程と、前記第４の光学面形状に、前記仮鏡面駒を修正加工する工程と、該修正加工した鏡面駒を用いて光学素子を成形する工程とを有する光学素子の成形方法を提供することによって達成できる。
【００１０】
また、前記第１の温度は、２０℃±３℃の間の温度であり、前記第２の温度は、例えば使用する樹脂のガラス転移点温度−１０℃以上であり、シリンダ内の樹脂溶融温度以下の温度である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、成形時の仮鏡面駒温度と常温時の仮鏡面駒温度との温度差による、仮鏡面駒の変形の影響をなくすことができ、より高精度な形状誤差量の修正が可能となり、高精度な光学素子を成形することができる。
【００１２】
また、シミュレーションにより、仮鏡面駒の変形を求めることができ、恒温槽等の鏡面駒を加熱する装置を不要とすることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１は、本実施形態の光学素子の成形方法を説明するために使用する成形装置の断面構成である。同図に示す装置は、固定金型１と可動金型２で構成されている。更に、固定金型１及び可動金型２には、それぞれ光学素子を形成するための仮鏡面駒が入子として取り付けられている。同図に示す入子３ａ、３ｂは固定金型１側に取り付けられた仮鏡面駒であり、入子４ａ、４ｂは可動金型２側に取り付けられた仮鏡面駒である。そして、入子３ａと４ａ間にキャビティ５ａが形成され、入子３ｂと４ｂ間にキャビティ５ｂが形成される。これらキャビティ５ａ、５ｂには、スプルー６及びランナー７を介して、図示せぬ射出ユニットのシリンダで溶融された溶融樹脂が供給される。
【００１４】
また、可動金型２には、ピン８を駆動するためのピン駆動機構９が設けられている。ピン８は、キャビティに形成された光学素子を突き出すために用いられる。すなわち、樹脂が固まると、パーティング面（ＰＬ）から可動金型２を矢印ａ方向に移動させる。そして、ピン可動機構９を駆動し、ピン８を矢印ｂ方向に移動させる。これにより、成形品を金型（入子）から突き出し、不図示の収納部に収納する。
【００１５】
次に、上記構成の射出成形金型を使用し、本例の光学素子の成形方法を説明する。
図２は本例の光学素子の成形方法を説明する工程図である。この工程図では、前述の図１に示す仮鏡面駒３ａ、３ｂ、及び４ａ、４ｂを修正加工し、成形処理に使用する鏡面駒を作製し、当該鏡面駒を用いて光学素子を成形する工程を説明している。但し、仮鏡面駒の形状変化を分かり易くするため、前述の図１に示す仮鏡面駒３ａ、３ｂ、及び４ａ、４ｂの形状と少し異なる形状として説明する。
【００１６】
先ず、同図に示す「１」〜「４」は、最初の成形工程を説明する図であり、基本的に従来の成形処理と同じである。すなわち、工程「１」に示す仮鏡面駒３ａ３ｂ、４ａ、４ｂ（以下、代表して仮鏡面駒３ａで示す）は、常温における形状を示している。この形状を有する仮鏡面駒３ａを使用して成形処理を行うと、充填される溶融樹脂によって仮鏡面駒３ａは加熱される。その結果、仮鏡面駒３ａの形状は、膨張して工程「２」に示す形状となる。この状態で、工程「３」において、溶融樹脂には仮鏡面駒３ａの形状が転写される。その後、光学素子１０と仮鏡面駒３ａは冷却され、収縮して工程「４」に示す形状となる。工程「４」に示す形状は、光学素子１０及び仮鏡面駒３ａが、共に収縮した状態である。
【００１７】
次に、工程「５」において、仮鏡面駒３ａの温度を、光学素子成形時の温度（第１の温度）にする。そして、この状態で、仮鏡面駒３ａの光学面形状Ａ１を測定する。すなわち、後述する恒温槽等を使用し、成形時の温度環境を実現する。そして、この温度環境下で、光学面形状Ａ１を測定する。一方、完成品である光学素子１０については、工程「６」により、精密測定環境下で、第１の光学面形状Ｂ１を測定する。尚、上記精密測定環境下の温度は、常温に近い温度である。
【００１８】
次に、工程「７」において、仮鏡面駒３ａの光学面形状Ａ１と光学素子１０の第１の光学面形状Ｂ１との形状差から、光学素子１０の収縮変形率を算出する。すなわち、仮鏡面駒３ａの光学面形状Ａ１は、成形時の温度（第１の温度）で測定した光学面形状であり、一方、光学素子１０の第１の光学面形状Ｂ１はほぼ常温時の光学面形状である。そこで、この処理によって、光学素子１０の収縮変形率を算出することができる。
【００１９】
次に、この収縮変形率を用いて、工程「８」において、第１の温度における光学素子１０の光学面形状、すなわち、第２の光学面形状Ｂ２を算出する。
次に、工程「９」において、仮鏡面駒３ａの光学面形状Ａ１と光学素子１０の第２の光学面形状Ｂ２との差から、形状誤差量を算出する。
【００２０】
次に、工程「１０」において、上記形状誤差量を相殺するように、仮鏡面駒３ａを修正加工する。この時、仮鏡面駒３ａを修正加工する時の温度は、前述の第１の温度である。
このようにして、修正加工された仮鏡面駒３ａは、工程「１１」に示すように、鏡面駒１１として以後の光学素子の成形処理に使用される。すなわち、鏡面駒１１（修正加工された仮鏡面駒３ａ）を金型に組み込み、前述の成形工程「１」〜「４」に従って光学素子の成形処理を行う。このようにして成形された完成品１２は、形状誤差量が相殺され、理想光学面形状を有する光学素子となる。
【００２１】
以上のように、本実施形態では、仮鏡面駒３ａの修正加工を、成形時の温度（第１の温度）で行っている。よって、本実施形態によれば、成形後の冷却過程に起因して生じる、成形品の形状誤差を修正することができる。また、成形時と常温時との温度差により、仮鏡面駒に変形が生じるが、このような変形に起因する形状誤差も修正することができる。したがって、本例の処理によって作成された鏡面駒を使用し、成形処理を行うことによって、理想光学面形状に極めて近い高精度な光学素子を成形することができる。
【００２２】
また、修正加工を繰り返す回数を少なくすることができ、より短期間で金型を製作し、製品製造の立ち上げ期間を短くすることができる。
さらに、上記成形方法によって成形される光学素子としては、例えばレンズやプリズムがある。
【００２３】
尚、図３は上記工程「５」で行う仮鏡面駒３ａの光学面形状Ａ１の測定処理、及び工程「１０」で行う仮鏡面駒３ａの修正加工の際使用する装置の模式図を示すものである。例えば、同図（ａ）は、恒温槽１５に仮鏡面駒３ａを入れ、第１の温度下で光学面形状Ａ１の測定を行い、仮鏡面駒３ａの修正加工を行う場合である。
【００２４】
また、同図（ｂ）は、仮鏡面駒３ａの周囲にヒータ１６を設置し、不図示の治具で第１の温度に加熱し、光学面形状Ａ１の測定、及び仮鏡面駒３ａの修正加工を行う例である。さらに、同図（ｃ）は、高周波電流発生装置１７によりコイル１８に電流を流し、仮鏡面駒３ａを誘導加熱によって加熱する例を示す。
【００２５】
また、前述の工程「５」で行う仮鏡面駒３ａの光学面形状Ａ１の測定、及び工程「６」で行う精密測定環境下での第２の光学面形状Ｂ１の測定には、接触式３次元形状測定装置や、非接触式３次元形状測定装置が使用される。
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について説明する。
【００２６】
図４は、実施形態２の光学素子の成形方法を説明する工程図である。但し、本例においては、第１の温度が精密測定環境下の温度であり、第２の温度を成形時の温度とする。
先ず、前述の実施形態１と同様、仮鏡面駒３ａ、３ｂ、及び４ａ、４ｂを用いて光学素子の成形処理を行う（前述の図４に示す工程「１」〜「４」）。このようにして、成形された光学素子１０は、工程＜１＞において、第１の温度で、第１の光学面形状Ｄ１が測定される。また、工程＜２＞において、仮鏡面駒３ａの第１の光学面形状Ｃ１が、第１の温度で測定される。
【００２７】
次に、仮鏡面駒３ａの第１の光学面形状Ｃ１に基づいて、第２の温度での仮鏡面駒３ａの第２の光学面形状Ｃ２をシミュレーションにより算出する。
次に、工程＜４＞において、仮鏡面駒３ａの上記光学面形状Ｃ２と、光学素子１０の光学面形状Ｄ１との差から、光学素子１０の収縮変形率を算出する。すなわち、仮鏡面駒３ａの第２の光学面形状Ｃ２は、成形時の温度にシミュレーションして得られた光学面形状であり、一方光学素子１０の第１の光学面形状Ｄ１は常温時の光学面形状である。そこで、この処理によって、光学素子１０の収縮変形率を算出することができる。
【００２８】
次に、この収縮変形率を用いて、工程＜５＞において、第２の温度における光学素子１０の第２の光学面形状Ｄ２を算出する。この処理は、前述の工程「８」の処理と同様である。
【００２９】
次に、工程＜６＞において、前述の工程「９」と同様に、形状誤差量を算出する。そして、工程＜７＞において、仮鏡面駒３ａの第３の光学面形状Ｃ３を算出する。この第３の光学面形状Ｃ３は、上記形状誤差量を相殺するような面形状である。さらに、工程＜８＞において、この第３の光学面形状Ｃ３に対応する第１の温度における光学面形状Ｃ４をシミュレーションにより算出する。
【００３０】
工程＜９＞において、シミュレーションされた仮鏡面駒３ａに対し、常温状態で修正加工を行う。すなわち、この場合恒温槽１５等の設備を使用することなく、仮鏡面駒３ａの修正加工を行うことができる。
【００３１】
このようにして、修正加工された仮鏡面駒３ａは、鏡面駒１１として以後の光学素子の成形処理に使用される。すなわち、前述と同様、鏡面駒１１を金型に組み込み、成形処理を行うことによって、理想光学面形状に極めて近い光学素子を得ることができる。
【００３２】
以上のように、本例の光学素子の成形方法によっても、仮鏡面駒の変形に起因する形状誤差も修正することができ、理想光学面形状に極めて近い高精度な成形品を成形することができる。
【００３３】
また、本例によれば仮鏡面駒３ａの修正加工を行う温度環境は、ほぼ常温状態であり、仮鏡面駒３ａの修正加工作業が容易となる。また、前述のような恒温槽１５等の設備を必要とすることなく、より安価な装置によって高精度な成形品を成形することができる。
【００３４】
さらに、上記成形方法によって成形される光学素子としては、前述と同様、例えばレンズやプリズムがある。
尚、本例においても、仮鏡面駒３ａの光学面形状の測定、光学素子の光学面形状の測定には、接触式３次元形状測定装置や、非接触式３次元形状測定装置が使用される。
【００３５】
尚、上記実施形態１における第１の温度、及び実施形態２における第２の温度は、例えば使用する樹脂のガラス転移点温度−１０℃以上であり、シリンダ内の樹脂溶融温度以下の温度である。このような温度に設定する理由は、鏡面駒から成形品が離型する直前の鏡面駒の温度は、成形品の樹脂のガラス転移点温度−１０℃以上である。そして、離型直後は、鏡面駒が周囲の空気によって急冷され、樹脂のガラス転移点温度−１０℃より低くなり、鏡面駒の光学面が変形するため、成形時の成形品の光学面と形状が一致しなくなり、不適である。
【００３６】
また、成形時の鏡面駒温度は、シリンダ内の樹脂溶融温度より高くなることはない。シリンダ内の樹脂溶融温度以上の温度では、鏡面駒の光学面形状が成形時の光学面形状と一致しなくなるため不適である。
【００３７】
また、前記実施形態２における第２の温度は、例えば２０℃±３℃の間の温度であり、上記温度範囲外では測定装置の動作を保証することができず、精密な測定を行うことができない。
【００３８】
尚、図５に示す例は、本例で使用する樹脂のガラス転移点温度（Ｔｇ点温度）及びシリンダ内温度の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施形態の光学素子の成形方法を説明するために使用する射出成形装置の断面構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態の光学素子の成形方法を説明する工程図である。
【図３】（ａ）は、恒温槽に仮鏡面駒を入れ、光学面形状の測定、及び仮鏡面駒の修正加工を行う例を示す図である。
【００４０】
（ｂ）は、仮鏡面駒の周囲をヒータを設置した不図示の治具で加熱し、光学面形状の測定、及び仮鏡面駒の修正加工を行う例を示す図である。
（ｃ）は、高周波電流発生装置によりコイルに電流を流し、仮鏡面駒を誘導加熱によって前述の第１の温度に設定し、光学面形状の測定、及び仮鏡面駒の修正加工を行う例を示す図である。
【図４】第２の実施形態の光学素子の成形方法を説明する工程図である。
【図５】本実施形態で使用する樹脂のガラス転移点温度（Ｔｇ点温度）及びシリンダ内温度の一例を示す図である。
【図６】従来の光学素子の成形方法を説明する工程図である。
【図７】従来の光学素子の成形方法を説明する工程図である。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・固定金型
２・・・可動金型
３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ・・・仮鏡面駒
５ａ、５ｂ・・・キャビティ
６・・・スプルー
７・・・ランナー
８・・・ピン
９・・・ピン可動機構
１０・・・溶融樹脂
１１・・・鏡面駒
１５・・・恒温槽
１６・・・ヒータ
１７・・・高周波電流発生装置
１８・・・コイル
【図１】
2006205596.tif 000003
【図５】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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