(57)【要約】【課題】  ステージの温度分布を減少させ、温度分布が存在しても、ステージの熱変形の影響も軽減させることで、高精度な光学素子を複数個同時に成形することができる光学素子の成形装置及び成形方法を提供する。【解決手段】  温度制御可能な一対のステージ５乃至１０を少なくとも一つ持ち、一対のステージ５乃至１０を相対的に接近させることで、一対の成形ブロック２の間に挟持された光学素子成形用素材を加圧成形可能な光学素子の成形装置において、ステージ５乃至１０を構成し、成形ブロック２と直接当接する均熱部材１６の範囲が、成形温度において平面となる形状である構成を特徴とする。【選択図】      図１
2006131448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度制御可能な一対のステージを少なくとも一つ持ち、前記一対のステージを相対的に接近させることで、一対の成形ブロックの間に挟持された光学素子成形用素材を加圧成形可能な光学素子の成形装置において、前記ステージを構成し、前記成形ブロックと直接当接する均熱部材の範囲が、成形温度において平面となる形状であることを特徴とする光学素子の成形装置。
【請求項２】
温度制御可能な一対のステージを少なくとも一つ持ち、前記一対のステージを相対的に接近させることで、一対の成形ブロックの間に挟持された光学素子成形用素材を加圧成形可能な光学素子の成形装置において、前記ステージを構成する、均熱部材と該均熱部材を保持する温度制御ブロックとが、成形温度において互いに全面で接触する形状であることを特徴とする光学素子の成形装置。
【請求項３】
前記均熱部材又は前記温度制御ブロックは、成形温度、温度分布、構成材料、又は成形結果から熱膨張後の形状を計算し、成形温度において所望の形状になるように、あらかじめ加工されてい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。
【請求項４】
温度制御可能な一対のステージを少なくとも一つ持ち、前記一対のステージを相対的に接近させることで、一対の成形ブロックの間に挟持された光学素子成形用素材を加圧成形可能な光学素子の成形装置において、前記ステージを構成する均熱部材と温度制御ブロックが、一体であることを特徴とする光学素子の成形装置。
【請求項５】
前記均熱部材と前記温度制御ブロックが一体となった前記ステージの、前記成形ブロックと直接当接する範囲が、成形温度で平面となる形状であることを特徴とする請求項４記載の光学素子の成形装置。
【請求項６】
温度制御可能な一対のステージを少なくとも一つ持ち、前記一対のステージを相対的に接近させることで、一対の成形ブロックの間に挟持された光学素子成形用素材を加圧成形可能な光学素子の成形方法において、前記ステージを構成し、前記成形ブロックと直接当接する均熱部材の範囲が、成形温度において平面となる形状であることを特徴とする光学素子の成形方法。
【請求項７】
温度制御可能な一対のステージを少なくとも一つ持ち、前記一対のステージを相対的に接近させることで、一対の成形ブロックの間に挟持された光学素子成形用素材を加圧成形可能な光学素子の成形方法において、前記ステージを構成する、均熱部材と該均熱部材を保持する温度制御ブロックとが、成形温度において互いに全面で接触する形状であることを特徴とする光学素子の成形方法。
【請求項８】
温度制御可能な一対のステージを少なくとも一つ持ち、前記一対のステージを相対的に接近させることで、一対の成形ブロックの間に挟持された光学素子成形用素材を加圧成形可能な光学素子の成形方法において、前記ステージを構成する均熱部材と温度制御ブロックとが、一体であることを特徴とする光学素子の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子の成形装置及び成形方法に係り、高精度な光学素子を複数個同時に成形することができる光学素子の成形装置及び成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レンズ系の設計自由度拡大や、従来では不可能であった小型化、性能向上の要求が高まり、これを可能にする非球面レンズのニーズが増加している。レンズは、古くはガラスを研削、研摩して製造していたが、非球面レンズの場合には、ガラスを加熱して軟化させ成形型でプレスして成形するという製造が盛んに行われている中、光学素子のコストダウンのために、複数個同時に成形する方法や、サイクルタイムを短縮し連続的に成形することができる成形方法が開示されている。
【０００３】
また、光学素子成形用素材を挟持した一対の成形型及び胴型から成る成形ブロックに対し、加熱、変形、冷却などの温度制御を短時間に遂行し、高精度な光学素子を複数個同時に連続して成形することができる光学素子の方法が開示されている。この方法は、加熱、変形、冷却のステージの少なくとも１つには、成形ブロックと温度制御ブロックの間に、直接成形ブロックに当接するような均熱部材が設けられていることを特徴としている。（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開平８−２５９２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ステージに温度分布があると、大口径の光学素子の成形や複数個同時に成形するときに、成形ブロックの加熱に、位置によって差異が生じ、高い形状精度と面精度を有する光学素子を得ることができない。また、図６に示すように、温度分布による熱膨張の差により均熱部材１６の形状精度が低下し、上成形型１９と下成形型２０との姿勢がばらつき、高精度な偏心精度（光軸に対する垂直方向のズレ（シフト）や傾き（チルト））を有する光学素子２１を得ることができない。より高精度になればなるほどステージ表面の形状精度の効きは大きい。
【０００５】
また、特許文献１の技術は、均熱部材を用いることで均熱性を向上し、ステージの成形範囲（成形ブロックが当接する成形に必要な範囲）で設定温度に対し２．５％の温度分布可能となり高精度な光学素子を得ることができるとしている。
【０００６】
しかし、鏡枠の薄型化（光学素子の小型化、枚数削減）、高画素化により、光学素子に対する要求精度がより高まり、均熱部材を設けるのみでは、要求を満たす高精度な光学素子を得ることが難しくなってきている。特に、偏心精度の要求を満たすことが難しくなってきている。
【０００７】
また、ステージを構成し、均熱部材を保持する温度制御ブロックは、温度分布があると熱膨張により、例えば中央部が盛り上がった形状に変形した場合、保持する均熱部材の中央部を押し上げる力が加わり、均熱部材が反ってしまうことが考えられる。これにより、均熱部材の表面形状精度は悪化し、高精度な偏心精度を得ることは難しい。また、均熱部材及び温度制御ブロックが熱膨張により変形すると、均熱部材及び温度制御ブロックが全面で接触しなくなることが考えられる。このとき、伝熱状態が、接触している所とそうでない所で異なり、温度分布をさらに悪化させることが考えられる。
【０００８】
本発明は、上記従来の実情に鑑み、ステージの温度分布を減少させ、温度分布が存在しても、ステージの熱変形の影響も軽減させることで、高精度な光学素子を複数個同時に成形することができる光学素子の成形装置及び成形方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下に、本発明に係る光学素子の成形装置及び成形方法の構成を述べる。
本発明の第１の態様は、温度制御可能な一対のステージを少なくとも一つ持ち、上記一対のステージを相対的に接近させることで、一対の成形ブロックの間に挟持された光学素子成形用素材を加圧成形可能な光学素子の成形装置において、上記ステージを構成し、上記成形ブロックと直接当接する均熱部材の範囲が、成形温度において平面となる形状である構成を特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、常温では均熱部材の表面形状精度は良くないが、成形時、設定された温度では平面となり、高精度な光学素子を複数個同時に成形することができる。
第２の態様は、温度制御可能な一対のステージを少なくとも一つ持ち、上記一対のステージを相対的に接近させることで、一対の成形ブロックの間に挟持された光学素子成形用素材を加圧成形可能な光学素子の成形装置において、上記ステージを構成する、均熱部材と上記均熱部材を保持する温度制御ブロックとが、成形温度において互いに全面で接触する形状である構成を特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、温度制御ブロックが均熱部材を変形させることはなく、さらに温度分布の発生も減少させることができる。よって、温度分布による熱膨張差が光学素子へ与える影響は減り、高精度な光学素子を複数個同時に成形することができる。
【００１２】
第３の態様は、上記第１の態様又は第２の態様において、上記均熱部材又は上記温度制御ブロックは、成形温度、温度分布、構成材料、又は成形結果から熱膨張後の形状を計算し、成形温度において所望の形状になるように、あらかじめ加工されている構成を特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、常温では均熱部材の表面形状精度は良くないが、設定した成形温度では平面となり、均熱部材の表面形状精度、均熱部材と温度制御ブロックとの接触及び伝熱が向上し、高精度な光学素子を複数個同時に成形することができる。
【００１４】
第４の態様は、温度制御可能な一対のステージを少なくとも一つ持ち、上記一対のステージを相対的に接近させることで、一対の成形ブロックの間に挟持された光学素子成形用素材を加圧成形可能な光学素子の成形装置において、上記ステージを構成する均熱部材と温度制御ブロックが、一体である構成を特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、温度制御ブロックによる均熱部材の反りや接触不良による温度分布の発生を完全に無くすことができ、高精度な光学素子を複数個同時に成形することができる。
【００１６】
第５の態様は、上記第４の態様において、上記均熱部材と上記温度制御ブロックが一体となったステージの、上記成形ブロックと直接当接する範囲が、成形温度で平面となる形状である構成を特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、温度分布が残った場合でも、成形温度において、熱膨張後に一体ステージの表面形状が平面となるような形状に加工することにより、より高精度な光学素子を複数個同時に成形することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ステージの温度分布を減少させ、温度分布が存在しても、ステージの熱変形の影響も軽減させることで、高精度な光学素子を複数個同時に成形することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
図１は、実施の形態１における光学素子の成形装置の内部構成を説明する断面図である。不図示の架台の上に加熱炉として使用するチャンバー１が設置されている。チャンバー１には成形ブロック２を搬入する入口及び搬出する出口が設けられ、それぞれ不図示の供給ステージ及び入口シャッター３、不図示の取り出しステージ及び出口シャッター４を設置している。また、チャンバー１内には加熱ステージ５、６及び７、加圧ステージ８、冷却ステージ９及び１０を設け、各ステージは上下一対で温度制御可能なヒーター１１を取り付けた温度制御ブロック１２を設け、下側の温度制御ブロック１２は断熱プレート１３、水冷ブロック１４を介してチャンバー１に設置され、上側の温度制御ブロック１２は、断熱プレート１３、水冷ブロック１４を介して、上下可動自由なシャフト１５に設置され成形ブロック２を押圧する機能を有している。また、温度制御ブロック１２の表面には、成形ブロック２と直接当接する面の温度を均一化するための均熱部材１６として炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金を取り付けている（以降の説明においては、チャンバー１に固定された温度制御ブロック１２及び均熱部材１６を下ステージ、シャフト１５に固定された温度制御ブロック１２及び均熱部材１６を上ステージと称する）。
【００２０】
図２は、図１に示した成形装置の要部拡大断面図である。水冷ブロック１４、断熱プレート１３上に温度制御ブロック１２が設置され、その上に均熱部材１６が保持されている。均熱部材１６の上面には、所望の形状に凹み加工がされている。
【００２１】
上述した実施の形態１における光学素子の成形装置の作用に関して以下に説明する。チャンバー１内は窒素雰囲気であり、ステージ外周部は冷たい窒素で冷やされる。よって、ステージの温度分布は、中央部に比べ外周部が低い傾向にある。凹み加工を行わない状態で、図２に示す測定点１７の温度を、熱電対を用いて測定したところ、中央部と外周部の温度差は最大１５℃（設定温度５９０℃に対し２．５４％の温度分布）であった。このとき、均熱部材１６と温度制御ブロック１２の熱膨張による変形を計算すると、ステージの中央部と外周部の高低差は２．５μmと計算された。ここで、本実施の形態では温度測定に熱電対を用いたが、放射温度計など他の手段を用いても構わない。
【００２２】
膨張による変形量を実測するために、図１に示す光学素子の成形装置から、上ステージを取り除いた実験ユニットを用意した。低膨張ガラスであるゼロデュア（ＳＣＨＯＴＴ社：熱膨張係数０．３×１０-6／Ｋ）の棒材をステージ上に立て、他端がチャンバー上面から突き出した形で配置した。温度上昇によるステージの熱膨張をゼロデュアの他端の変位量に置き換え測定を行った。測定の結果、ステージ中央部と外周部の変位量の差は最大２．５３μm、最小２．４８μm、σ＝０．０２１μmであり、計算値と合致した。
【００２３】
中心の盛り上がったステージを用いて成形を行ったところ、形状精度及び面精度は要求精度を満たすことができたが、偏心精度については高精度な光学素子を得ることはできなかった。
【００２４】
設定した成形温度において、ステージが凸形状にならないために、均熱部材１６の表面に対し熱膨張差をキャンセルできるような凹み加工を施した。また、ステージの熱膨張を測定したところ、ステージの中央部と外周部の高低差は０．２９μmであった。このステージを用いて成形を行ったところ、ステージの温度分布、成形された光学素子の形状精度、面精度、及び偏心精度が要求を満たした高精度な光学素子を得ることが可能であった。
【００２５】
ここで、各ステージの設定温度などにより温度分布は多様であることが考えられるので、均熱部材の表面の加工形状は、本実施の形態で示した中央部の凹み形状に限らず、均熱部材の熱膨張に応じた形状であって構わない。
【００２６】
さらに、ステージの形状変化の測定について、変形量を感知するセンサーなどの手段により、例えば変形量が２μｍ以下であれば問題なしというように、工程管理を行って問題ない。
【００２７】
図３は、実施の形態２における光学素子の成形装置の要部拡大断面図である。本装置の概要は実施の形態１で示した図１の装置と同様であるため省略する。水冷ブロック１４、断熱プレート１３上に温度制御ブロック１２が設置され、その上に均熱部材１６が保持されている。温度制御ブロック１２の上面は、所望の形状に凹み加工がされている。
【００２８】
上述した実施の形態２における光学素子の成形装置の作用に関して以下に説明する。実施の形態１で示したように、凹み加工を行わない状態では、ステージの中央部と外周部の温度差は最大１５℃であった。設定した成形温度で温度制御ブロック１２と均熱部材１６が全面で接触するように、温度制御ブロック１２の表面に対し、熱膨張差をキャンセルできるような凹み加工を施した。同図に示す測定点１７の温度を測定し、このステージの温度分布を測定した。温度差は最大６℃（１％の温度分布）となり、温度制御ブロック１２に凹み加工を施した場合の均熱性の向上が確認された。
【００２９】
また、ステージの熱膨張を測定したところ、ステージの中央部と外周部の高低差は０．２７μmであった。このステージを用いて成形を行ったところ、形状精度、面精度、及び偏心精度が要求を満たした高精度な光学素子を得ることが可能であった。
【００３０】
ここで、均熱部材の表面の加工形状と同様に、温度制御ブロックの加工形状は、中央部の凹み形状に限らず、熱膨張に応じた形状であって構わない。
図４は、実施の形態３における光学素子の成形装置の内部構成を説明する断面図である。不図示の架台の上に加熱炉として使用するチャンバー１が設置されている。チャンバー１には成形ブロック２を搬入する入口及び搬出する出口が設けられ、それぞれ不図示の供給ステージ及び入口シャッター３、不図示の取り出しステージ及び出口シャッター４を設置している。また、チャンバー１内には加熱ステージ５、６及び７、加圧ステージ８、冷却ステージ９及び１０を設け、各ステージは上下一対で温度制御可能なヒーター１１を取り付けた一体ステージ１８を設け、下側の一体ステージ１８は断熱プレート１３、水冷ブロック１４を介してチャンバー１に設置され、上側の一体ステージ１８は、断熱プレート１３、水冷ブロック１４を介して、上下可動自由なシャフト１５に設置され成形ブロック２を押圧する機能を有している。
【００３１】
図５は、図４に示した成形装置の要部拡大断面図である。水冷ブロック１４、断熱プレート１３上に温度制御ブロック１２と均熱部材１６が一体となった炭化ケイ素（ＳｉＣ）から成る一体ステージ１８が保持されている。この一体ステージ１８は、温度制御ブロックによる均熱部材の反りや接触不良による温度分布の発生を完全に無くすことができるものである。
【００３２】
上述した実施の形態３における光学素子の成形装置の作用に関して以下に説明する。均熱部材１６と温度制御ブロック１２とを一体化することにより、熱膨張による均熱部材の反りや接触不良による温度分布の発生をなくすことができる。このステージの温度を、同図に示す測定点１７で測定したところ、温度差は最大６℃（１％の温度分布）となり、均熱部材１６と温度制御ブロック１２とを一体化した場合の均熱性の向上が確認された。
【００３３】
また、ステージの熱膨張を測定したところ、ステージの中央部と外周部の工程差は、０．３６μmであった。このステージを用いて成形を行ったところ、形状精度、面精度、及び偏心精度が要求を満たした高精度な光学素子を得ることが可能であった。
【００３４】
ここで、一体ステージ１８の上面に対しても、凹み加工を施しても構わない。
また、一体ステージ１８、均熱部材１６又は温度制御ブロック１２として用いる材料には、均熱化のために熱伝導率が大きく（例えば、熱伝導率３０W／ｍK以上）、また、変形の抑制のために熱膨張係数が小さい（例えば、熱膨張係数１５×１０-6以下）材料が好ましい。さらに、ヒートサイクルによる塑性変形は、ステージ表面の形状精度を低下させる原因となるため、鉄やステンレス鋼に比べて高温での応力に対する塑性変形が極めて少ない材料、例えば超硬合金、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、酸化クロム（Ｃｒ2Ｏ3）などの焼結体が好ましい。
【００３５】
さらに、均熱部材１６又は一体ステージ１８の表面には、耐熱、耐酸化、又は長期的な磨耗の低減のために、薄膜がコーティングされていることが効果的である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施の形態１における光学素子の成形装置の内部構成を説明する断面図である。
【図２】実施の形態１における光学素子の成形装置の要部拡大断面図である。
【図３】実施の形態２における光学素子の成形装置の要部拡大断面図である。
【図４】実施の形態３における光学素子の成形装置の内部構成を説明する断面図である。
【図５】実施の形態３における光学素子の成形装置の要部拡大断面図である。
【図６】ステージ表面の形状精度低下による偏心精度の低下を説明する図である。
【符号の説明】
【００３７】
１      チャンバー
２      成形ブロック
３      入口シャッター
４      出口シャッター
５      加熱ステージ
６      加熱ステージ
７      加熱ステージ
８      加圧ステージ
９      冷却ステージ
１０    冷却ステージ
１１    ヒーター
１２    温度制御ブロック
１３    断熱プレート
１４    水冷ブロック
１５    シャフト
１６    均熱部材
１７    測定点
１８    一体ステージ
１９    上成形型
２０    下成形型
２１    光学素子
【図１】
2006131448.tif 000003
【図２】
2006131448.tif 000004
【図３】
2006131448.tif 000005
【図４】
2006131448.tif 000006
【図５】
2006131448.tif 000007
【図６】
2006131448.tif 000008