(57)【要約】【課題】外形に対して中心厚みの小さい薄肉のレンズであっても割れなく高精度に成形するレンズの成形装置を提供する。【解決手段】移動手段１１と、移動手段１１による変位量を測定する変位測定手段１２とを有し、対向して設けられた一対の基台１３、１４と、基台１３、１４の対向面に載置され内部に温度測定手段１９を有する一対の金型１５、１６と、少なくともこの一対の金型１５、１６を加熱する加熱手段１８と、変位測定手段１２および温度測定手段１９と接続され移動手段１１と加熱手段１８の変位量または温度を制御する制御装置２０とからなり、一対の金型１５、１６は超音波発振素子２１と超音波受信素子２２とからなる応力測定手段を備え、応力測定手段により一対の金型１５、１６で挟持される硝材にかかる応力を測定し制御装置２０へ出力し、この応力が一定値を越えないように移動手段１１または加熱手段１８の変位量、温度を制御しながら成形を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動手段と、この移動手段による変位量を測定する変位測定手段とを有し、対向して設けられた一対の基台と、この基台の対向面に載置され、内部に温度測定手段を有する一対の金型と、少なくともこの一対の金型を加熱する加熱手段と、前記変位測定手段および温度測定手段と接続され、移動手段と加熱手段の変位量または温度を制御する制御装置とからなり、前記一対の金型は、超音波発振素子と超音波受信素子とからなる応力測定手段を備え、この応力測定手段により、前記一対の金型で挟持される硝材にかかる応力を測定して前記制御装置へ出力し、この応力が一定値を越えないように移動手段または加熱手段の変位量、温度を制御しながら成形を行うレンズの成形装置。
【請求項２】
超音波発振素子および超音波受信素子は、冷却手段を有する断熱材を介して金型に接続されている請求項１に記載のレンズの成形装置。
【請求項３】
超音波発振素子および超音波受信素子は、成形面に対向する金型の面に断熱材を介して懸架された請求項２に記載のレンズの成形装置。
【請求項４】
超音波発振素子および超音波受信素子は、同心円状に複数組設けた請求項３に記載のレンズの成形装置。
【請求項５】
超音波発振素子は、それぞれ位相が異なるものから構成した請求項４に記載のレンズの成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ピックアップや撮像素子に搭載されるレンズの成形装置に関するものであり、メニスカスレンズなどの、特に外形に対して中央部の厚みが薄い薄肉レンズの成形装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＤやＭＤなどの光記録・再生用のピックアップ装置、デジタルカメラや携帯電話に搭載される撮像装置には、耐熱、耐衝撃性などの使用環境を考慮してガラスレンズが用いられている。これらの機器の小型化・薄型化に対応するため、搭載されるガラスレンズとして、非球面レンズが要求されている。
【０００３】
このような、小型の非球面レンズは、重量や外形などを規定した硝材を加熱して軟化させた後、非球面形状を形成した一対の金型で成形することでその形状を転写していた。
【０００４】
図４は、従来のレンズの成形装置における要部断面図を示している。まず初めに、非球面を形成した成形面１ａ、２ａを有する一対の金型１、２それぞれを、スリーブ３、４に挿入固定した後、ダイプレート５、６を介して加圧部７、８とボルト９で締結し、加圧部７、８と金型１、２とを一体固定する。そして、成形部１ａ、２ａ間に硝材１０を挟持した後、少なくともガラス転移温度（Ｔｇ）以上に昇温して一定時間維持し、硝材１０を軟化させ、加圧部７、８により互いに加圧することで成形を行う。最後に金型１、２を徐冷した後、成形した硝材１０をレンズとして取り出すものである。
【０００５】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、特許文献２が知られている。
【特許文献１】特開平８−１３３７６６号公報
【特許文献２】特開平８−２３１２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常、硝材１０をガラス転移温度（Ｔｇ）以上に加熱した後、加圧して成形を行う。このとき、硝材１０は、一対の金型１、２とともに、少なくとも４００度以上に加熱されることになる。そのため、硝材１０には、成形時に加圧部７、８からの圧力とともに、加熱に伴う一対の金型１、２やその周辺からの、線膨張係数の差により生じる応力が付加されることとなる。その結果、硝材１０に限界値以上の応力がかかることにより、特にメニスカスレンズのようなその外形に対して中心厚みが小さい薄肉レンズを成形する際には、割れが発生しやすくなるという課題があった。
【０００７】
そこで本発明は、薄肉レンズであっても割れなく高精度に成形が可能な成形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そして上記目的を達成するために、本発明は、移動手段と、この移動手段による変位量を測定する変位測定手段とを有し、対向して設けられた一対の基台と、この基台の対向面に載置され、内部に温度測定手段を有する一対の金型と、少なくともこの一対の金型を加熱する加熱手段と、前記変位測定手段および温度測定手段と接続され、移動手段と加熱手段の変位量または温度を制御する制御装置とからなり、前記一対の金型は、超音波発振素子と超音波受信素子とからなる応力測定手段を備え、この応力測定手段により、前記一対の金型で挟持される硝材にかかる応力を測定して前記制御装置へ出力し、この応力が一定値を越えないように移動手段または加熱手段の変位量、温度を制御しながら成形を行うものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るレンズの成形装置は、移動手段と、この移動手段による変位量を測定するための変位測定手段とを有する一対の基台と、硝材を成形するための一対の金型と、少なくともこの一対の金型を加熱するための加熱手段と、移動手段および加熱手段と接続され、その温度や変位量とを制御するための制御装置とから構成されている。さらにこの一対の金型には、硝材を成形する面に対向して、一方に超音波発振素子を、他方に超音波を受信するための超音波受信素子とが設けられている。成形中に、超音波発振素子から発信された超音波は、金型、硝材、金型と伝播して、他方の超音波受信素子で受信されることで、硝材中に発生している応力を測定する。そして、この測定結果を制御装置へ出力して、その応力値が一定の値を越えないように、温度または変位量を制御しながら成形を行うので、硝材に破壊応力以上の応力がかかることがなく、その結果、メニスカスレンズなどの、外形に対して中心厚みの小さい薄肉レンズであっても、割れなく高精度に成形できる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施の形態におけるレンズの成形装置について、図を用いて説明する。
【００１１】
図１は、本発明のレンズの成形装置を説明する構成図である。特に発明のポイントである金型近傍は、断面図で示している。
【００１２】
本実施例のレンズの成形装置は、移動手段１１と、この移動手段１１による変位量を測定するための変位測定手段１２とを備えた基台１３上に、固定された基台１４を一定の間隔で対向して設けている。そしてこれら両基台１３、１４の対向面１３ａ、１４ａ上に金型１５、１６を、それぞれの成形面１５ａ、１６ａどうしが対向するように載置、固定されている。このように、両基台１３、１４上に載置された金型１５、１６は、各成形面１５ａ、１６ａが上下に対をなして、その硝材１７を挟持する。また、少なくとも金型１５、１６の周囲には、カーボンヒータやセラミックヒータ、または電磁加熱式などの加熱手段１８を設け、金型１５、１６とともに硝材１７を一定の温度に加熱する。成形面１５ａ、１６ａに挟持された硝材１７は、加熱手段１８により一定温度に加熱された後、移動手段１１により加圧されて、成形面１５ａ、１６ａに倣った形状のレンズに成形されるものである。
【００１３】
また、上記の金型１５、１６の少なくとも一方には、熱電対などからなる温度測定手段１９を有し、変位測定手段１２、移動手段１１、加熱手段１８とともに制御装置２０に接続されている。制御装置２０は、主に加熱温度、加圧、そしてこれらの保持時間などからなる成形プロファイルを記憶し、温度測定手段１９および変位測定手段１２からの出力信号を監視しながら、設定された成形プロファイルに沿って上記移動手段１１および加熱手段１８の温度や変位量を制御するものである。
【００１４】
さらに、各金型１５、１６には、成形面１５ａ、１６ａの直下に、一方には超音波発振素子２１が、他方には超音波受信素子２２がそれぞれ接続されている。これらの超音波発振素子２１および超音波受信素子２２は、成形時に金型１５、１６が３００〜８００℃と高温になることから、断熱材２３を介して金型１５、１６に接続されており、さらに、断熱材２３の一部を含めてペルチェ素子などからなる冷却手段２４で覆うことで、金型１５、１６および加熱手段１８からの輻射熱の影響を最小限に抑えている。
【００１５】
断熱材２３としては、少なくとも金型１５、１６よりも熱伝導性の低い材料を選択すればよい。金型１５、１６として炭化珪素（ＳｉＣ）や超硬（ＷＣ）、グラッシーカーボンなどを用いる場合、断熱材２３としては、例えばガリウム砒素、窒化ガリウム、サファイア、窒化ホウ素などを選択する。
【００１６】
また、超音波発振素子２１および超音波受信素子２２に用いる素子としては、その使用時の温度を考慮して、高いキュリー点温度を持ち高温下でも圧電特性を失いにくい無機圧電材料、例えばチタン酸ジルコニア鉛リチウムや窒化アルミニウムなどを選択する。
【００１７】
ここで重要なのが、上記超音波発振素子２１および超音波受信素子２２を、各基台１３、１４にザグリ孔を設けることにより、断熱材２３を介してそれぞれの金型１５、１６に懸架して接続することである。こうすることにより、超音波発振素子２１から発振される振動が、基台１３に吸収、拡散されて減衰されることなく、他方の超音波受信素子２２へ確実に伝播させることができる。
【００１８】
次に上記のレンズの成形装置を用いた成形のフローを図２に示す。
【００１９】
まず初めに、硝材１７や成形するレンズの形状精度を考慮した成形条件を仮設定する（２５）。この成形条件は、硝材１７の加熱温度、加圧やそれらの保持時間からなる成形プロファイルである。
【００２０】
次に、硝材１７と、上下に一対の金型１５、１６とを同軸上に配置した後、成形を開始する（２６）。そして（２５）で設定された仮成形条件となるように、制御装置２０により、加熱手段１８および移動手段１１を制御する。すなわち、加熱手段１８により金型１５、１６とともに硝材１７を加熱して一定温度に保持しながら、移動手段１１によって下側の基台１３とともに金型１５を上昇させる。こうすることにより、金型１５、１６で硝材１７を挟持するとともに、一定の圧力で硝材１７を加圧する。このとき、基台１３の変位量を変位測定手段１２で測定する。さらにこの加圧時に、超音波発振素子２１より発振された超音波は下側の金型１５を介して硝材１７に伝播し、上側の金型１６を介して超音波受信素子２２に受信される。
【００２１】
このとき重要なのが、超音波発振素子２１および超音波受信素子２２とを二組以上配置し、それぞれの超音波発振素子２１を発振させるタイミングをずらすことである。こうすることにより、成形中に硝材１７内部に発生する応力とその位置を正確に測定することが可能となる。
【００２２】
また、超音波発振素子２１と超音波受信素子２２の配置は、レンズの形状に合わせて、金型１５、１６の中心軸上に一組、そして同心円状に一組以上設置してもよい。こうすることにより、レンズの成形時に最大応力が発生する場所が変化した場合であっても確実かつ正確に測定することが可能となる。上記のように超音波発振素子２１および超音波受信素子２２を用いて、成形中の硝材１７中に発生する最大応力を算出する（２７）。
【００２３】
次に、この算出した最大応力が、成形する硝材１７の割れ発生閾値を越えているかどうかを判定する（２８）。このとき、制御装置２０の内部の記憶部に、予めシミュレーションや実験により求めた硝材の割れ発生閾値（破壊応力）のデータをライブラリ（２９）として保存し、その値と比較することで判定する。このデータは、常温のデータのみでなく、成形時の各温度におけるデータを準備、保存しておくことで、成形時の割れの発生を防止することができる。この判定において、成形中に発生している最大応力が、ライブラリ（２９）に保存している割れ発生閾値以下であれば、そのまま成形を進めて、常温まで冷却する（３０）。閾値を越えている場合は、制御装置２０を介して加熱手段１８および移動手段１１を制御して、割れ発生閾値を越えないように加熱温度または変位量を制御しながら成形を続行する（３１）。
【００２４】
また上記の制御は、あらかじめ入力しておいた、温度や変位量などの成形条件と割れ発生閾値のライブラリによって成形中のワレ発生の有無を推定し、割れ発生の閾値を越えないように温度や変量を調節してもよい。この場合、応力の推定を一定間隔Δtで行い、現在の応力値をσE1、このときの割れ発生の閾値をσC1、現在から一定間隔Δtだけ遡った時点での応力値をσE0、このときの割れ発生の閾値をσC0、現在の成形条件における一定間隔Δt後の応力予測値をσE2、このときの割れ発生の閾値をσC2、現在の温度をT1、硝材１７の屈伏点をTATとしたときに、
T1＜TAT＋70
｜σE2−σC2｜／｜σE1−σC1｜＜1
0.7・σC2＜（σE1−σE0）＋σE1＜0.9・σC2
上記の式で表される関係を満たすように温度と変位量の制御を行う。
【００２５】
最後に常温まで冷却した後、金型１５、１６からレンズを取り出して成形を終了する（３２）。上記の工程を繰り返し、成形したレンズの形状精度を評価して、仮成形条件を調整するものである。
【００２６】
本実施例では、硝材１７中に発生する応力を、超音波を用いて測定する。この超音波は、音速の異なる材料を伝播するとき、その境界で屈折または反射するため、特に断熱材２３および金型１５、１６との接続がその測定精度に大きく影響する。以下に、断熱材２３の配置について図３を用いてその詳細を説明する。
【００２７】
超音波発振素子２１から発振された超音波は、金型１５や断熱材２３などの、材料が異なりその伝播速度が変化する境界で屈折して拡散する。このときの超音波の屈折角θoutは、出射側材料の音速をｖout、入射角θin、入射側材料の音速ｖinとすると、次の式で表現される。
【００２８】
（Ｓｉｎθout）／ｖout＝（Ｓｉｎθin）／ｖin
この式より、音速の速い材料から遅い材料に超音波が伝播するとき、その出射角度は入射角度より小さくなることがわかる。
【００２９】
また音速ｖoutは、伝播する材料の密度ρoutの平方根に反比例し、体積弾性率Ｋoutの平方根に比例し、次式によって表現される。
【００３０】
ｖout＝（Ｋout／ρout）1/2
上記の式により、伝播する材料の密度と体積弾性率から超音波の伝播速度を算出することが可能となり、この値を用いて、超音波の屈折による拡散が抑えられるように境界面の形状を決定し、測定の高精度化を図る。
【００３１】
なお、金型１５、１６と硝材１７との界面での反射率Ｒについては、入射側の材料の密度ρout、音速ｖoutとそれらの積である音響インピーダンスＺoutと、入射側の材料の密度ρin、音速ｖin、音響インピーダンスＺinによって次のように表現される。
【００３２】
Ｚout＝ρout・ｖout
Ｚin＝ρin・ｖin
Ｒ＝（Ｚout−Ｚin）／（Ｚin＋Ｚout）
なお、金型１５、１６の材料と硝材１７との組み合わせによっては、金型１５、１６と硝材１７との音響インピーダンスの差が著しく大きく、金型１５、１６と硝材１７との間での反射率が高い場合は、上側の金型１６と硝材１７との界面で発生する反射波の伝播速度を下側の金型１５の底面に設置された超音波発振素子２１で測定することによって、高精度な測定が可能となる。また、金型１５、１６と断熱材２３との間でも反射が発生するため、金型１５、１６と断熱材２３との音響インピーダンスの差が小さくなるような材料を選ぶことにより、金型１５、１６と断熱材２３との境界での反射を抑え、測定の精度を高めることが可能となる。
【００３３】
このとき、金型１５、１６の音速が断熱材２３の音速より遅い場合は図３（ａ）もしくは、図３（ｂ）のような境界の形状となり、金型１５、１６の音速が断熱材２３の音速より速い場合は図３（ｃ）もしくは、図３（ｄ）のような境界の形状とすることによって、超音波の拡散を抑え、超音波発振素子２１で発振した超音波を超音波受信素子２２まで効率よく伝播させることが可能になる。
【００３４】
また、金型１５、１６の音響インピーダンスＺMと硝材１７の音響インピーダンスＺGの関係をＺM＞ＺGとすると、超音波の反射の関係式により、下側の金型１５と硝材１７との界面で位相が９０度進む。この位相成分を、超音波受信素子２２で受けた位相成分から差し引くことによって、硝材１７で起こった位相変化量を測定することが可能となり、音弾性法によって硝材１７内部で発生していた応力を測定することが可能になる。
【００３５】
上記の実施例は、超音波発振素子２１を複数設けて、各々の発振のタイミングをずらした例であるが、発振位相の異なる超音波発振素子２１を複数設けても同様の効果が得られる。
【００３６】
上述した成形装置を用いて成形することにより、外形に対して中心部が薄いメニスカスレンズなどの薄肉レンズを、割れや欠けを発生させることなく、高い精度で成形することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係るレンズの成形装置は、移動手段と、この移動手段による変位量を測定するための変位測定手段とを有する一対の基台と、硝材を成形するための一対の金型と、少なくともこの一対の金型を加熱するための加熱手段と、移動手段および加熱手段と接続されて、その温度や変位量とを制御するための制御装置とから構成されている。さらにこの一対の金型には、硝材を成形する面に対向して、一方に超音波発振素子を、他方に超音波を受信するための超音波受信素子とが設けられている。成形中に、超音波発振素子から発信された超音波は、金型、硝材、金型と伝播して、他方の超音波受信素子で受信されることで、硝材中に発生している応力を測定する。そして、この測定結果を制御装置へ出力して、その応力値が一定の値を越えないように、温度または変位量を制御しながら成形を行うので、硝材に破壊応力以上の応力がかかることがなく、その結果、メニスカスレンズなどの、外形に対して中心厚みの小さい薄肉レンズであっても、割れなく高精度に成形できる効果を奏するので、メニスカスレンズなどの、特に外形に対して中央部の厚みが薄い薄肉レンズの成形装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施の形態を説明するレンズの成形装置の構成図
【図２】同装置を用いた成形方法を説明するフロー図
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、金型と断熱材との接続を説明する断面図
【図４】従来のレンズの成形装置を説明する要部断面図
【符号の説明】
【００３９】
１１  移動手段
１２  変位測定手段
１３  基台
１４  基台
１５  金型
１６  金型
１７  硝材
１８  加熱手段
１９  温度測定手段
２０  制御装置
２１  超音波発振素子
２２  超音波受信素子
２３  断熱材
２４  冷却手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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