(57)【要約】【課題】一般的に大口径ガラスレンズ金型には超硬合金が用いられているが、加工に時間がかかり多大にコストを要している。【解決手段】金型母材として切削加工が可能な合金鋼を用いることで加工時間を大幅に短縮すると共に、成形時の高温状態において金型硬度が低下することで生じる金型の変形を避けるため、レンズ材料が軟化するまで、金型２、３とレンズ素材５間にプレス予備圧が作用しないように構成した。すなわち、胴型４端面と上パンチ型３フランジ面との間に、レンズ素材と同一のガラス材料か、もしくはそれと熱軟化特性の近いガラス材料等で造ったスペーサ６を複数個配置し、そのスペーサ６で荷重を支え、レンズ素材と上パンチ型凸頂部とに隙間を保つようにしている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ素材を加熱軟化させた後プレス成形を行い該レンズ素材に所望の形状を転写するための下パンチ型と上パンチ型と、該下および上パンチ型が篏挿される胴型と、該上パンチ型と該胴型との間に挟持される複数のスペーサ部材とを備え、構成され、該上パンチ型（下パンチ型）を、該胴型に篏合挿入した際、該上パンチ型（下パンチ型）と該胴型との間に該スペーサが挟み込まれることを特徴とする光学素子の成形金型。
【請求項２】
該スペーサの材料を、該レンズ素材と同一の材料で造ったことを特徴とする請求項１記載の光学素子成形金型。
【請求項３】
該スペーサの材料を、成形されるレンズ素材と近似した熱軟化特性を有した材料で造ったことを特徴とする請求項１記載の光学素子成形金型。
【請求項４】
該スペーサの形状を球形または円柱状にしたことを特徴とする請求項１記載の光学素子成形金型。
【請求項５】
該スペーサが接する胴型および下パンチ型（上パンチ型）の面に、該スペーサが軟化し再固化した時に型離れし易い表面処理を施したことを特徴とする請求項１記載の光学素子成形金型。
【請求項６】
レンズ素材を加熱軟化させた後プレス成形を行い該レンズ素材に所望の形状を転写するための下パンチ型と上パンチ型と、該下および上パンチ型が篏挿される胴型と、該上パンチ型と該胴型との間に挟持される複数のスペーサ部材とを備え、該上パンチ型（下パンチ型）を、該胴型に篏合挿入した時、該上パンチ型（下パンチ型）と該胴型との間に該スペーサを挟み、該スペーサは該レンズ素材と同一の材料を用いて造ったものを用いて成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子の成形金型および光学素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にガラスレンズの成形用金型には、高温環境下（６００℃近辺）において、大きな圧力が掛かっても変形しない金型材料が用いられる。一般的な合金鋼ではガラス軟化点温度（約６００℃近辺）付近になると、硬度が低下し大きなプレス圧が加わるとごく微小量ながら塑性変形する。光学レンズに要求される形状精度からすると、この微小量の塑性変形は許容できないレベルとなることがある。
【０００３】
したがって多くの場合、ガラスレンズの成形用金型材料として、焼結創生した超硬合金が用いられている。超硬合金は、ガラス成形が行われる高温環境下でも必要な硬度を満たしている。しかし加工という面からすると硬いが故に、ダイヤモンドや超硬合金などの切削工具で切削加工ができない。そのため加工のほとんどは特殊精密加工機による精密砥石を用いた超精密研削加工で行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
特にレンズプレス面の形状精度は、サブミクロンの加工精度に仕上げる必要があり、また面の表面粗さは鏡面状態が必要とされる。成形レンズの直径がφ５０ｍｍを越えるような大きな成形金型の場合、超硬合金焼結後の粗形状から、上記したような高精度なレンズプレス金型に仕上げるには多大な時間と加工コストを必要とする。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１５１５１８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように超硬金型の加工には多大な時間とコストが掛かる。特にレンズプレス面の形状精度をサブミクロンの精度（±０．１μｍ以下）にまで、研削・研磨加工するには超高精度曲面加工機を長時間使用することになり、最も加工時間と加工コストを要するところである。
【０００７】
加工コストと時間を低減するために、大口径レンズ成形金型の母材として、超硬工具などで切削加工が可能な合金鋼を用いれば、旋盤やフライス盤などにより、極めて短時間で高精度な加工が可能であり、大幅に金型加工コストの低減が見込める。しかし金型母材に合金鋼を用いる場合、以下に述べるようなきわめて深刻な課題を擁している。
【０００８】
図４は、従来のレンズ成形金型ユニットの構成を示したものである。金型ユニット２１は、下パンチ型２２，上パンチ型２３，胴型２４の３点で構成されており、上記複数の金型部材で形成される内部空間に、レンズ素材２５が置かれている。レンズ素材２５が載置された金型ユニット２１全体を加熱昇温し、レンズ素材２５が適度に軟化した頃合いでプレスを行い、金型空間内に充満せしめ金型形状を転写し成形を行う。このような成形法は、従来からガラスレンズあるいはプラスチックレンズを成形する工法としてよく用いられている。以下その工程を概述する。
【０００９】
図４に示すように組み合わせた金型ユニット２１を、熱プレス成形機３１に載置する。図５は、熱プレス成形機３１の概容を示したものである。３８は加圧装置であり、油圧，空圧あるいは電動モータなどで駆動される。図５に示すように下ヒータ板３２に金型ユニット２１を載置した後、上ヒータ板３３をゆるやかに降下させ金型ユニット２１を軽く挟み込んで上下から接触加熱を行う。金型ユニット２１内のレンズ素材２５が所定の温度に達し、プレス変形可能な状態に軟化したところで、適切な加圧スピードと圧力でプレスを行い、金型形状を転写させガラスレンズを成形する。
【００１０】
なお３４，３５は、ヒータ板の熱が周囲の構造部材に伝熱するのを抑止する断熱板であり、３６，３７は冷却工程でヒータ板の冷却を促進するための冷却板であり液冷駆動されている。
【００１１】
上述したように上，下のヒータ板、３３，３２で金型ユニット２１を軽く挟み込んで金型を加熱昇温するわけであるが、図からも明らかなように、上パンチ型２３の中心凸頂部と、レンズ素材２５とは点接触している。金型ユニット２１は軽過重で挟まれているとはいえ、上記点接触部分に応力集中が生じる。
【００１２】
合金鋼で造られたパンチ型は、上記点接触部分に集中応力が作用していても室温時には特に障害は発生しないが、金型温度が４００℃以上の高温になってくると、合金鋼の硬さが低下してくる。一方この温度ではまだレンズ素材２５の硬度は硬いので、上パンチ型２３の点接触部分に応力集中によるごく僅かな拉げが発生する（中心部のごく狭い領域に１〜２μｍの拉げが発生）。金型に変形が生じると、それによって成形される光学レンズにも変形が転写される。高精度な光学レンズではこの程度の形状誤差も許容できない。
【００１３】
図４に示すように、金型ユニットの中に収納されたレンズ素材を加熱軟化させるために、上下のヒータで金型ユニットを挟み込んでいる。挟み込むことによってパンチ型とヒータ板が密着し効率的に伝熱昇温ができる。しかしパンチ型とレンズ素材との点接触部に応力集中が発生し、高温時において金型母材の硬度が低下した時、該応力集中部にごく僅かな拉げが発生する。これを解消するには金型ユニットがヒータ板に挟み込まれた状態において、レンズ素材と上パンチ型中心凸頂部とに僅かでも隙間が保てるようにしておけばよい。そのためには金型ユニットを上下のヒータ板で挟み込んだ時に生じる荷重を、別の手段で受け止める必要がある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、胴型端面と上パンチ型フランジ面との間に、レンズ素材と同一のガラス材料か、もしくはそれと熱軟化特性の近いガラス材料等で造ったスペーサを複数個配置し、そのスペーサで荷重を支え、レンズ素材と上パンチ型凸頂部とに隙間を保つようにしている。スペーサはレンズ素材と同一の材料で造られているので、高温状態でスペーサが軟化した時はレンズ素材も軟化しているので、プレスを開始しても、上パンチ型の中心凸頂部に応力集中が起こることはない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態の一例を、図を用いて説明する。
【００１６】
図１は、胴型４上端面と上パンチ型３のフランジ面３ａとの間に、レンズ素材５と同一のガラス材料で造られた複数個のスペーサとしてのガラスボール６を挟み込んで、金型を組み上げた状態を示したものである。この状態でレンズ素材５と上パンチ型３の中心凸頂部とは離間しており、僅かなギャップが保たれている。
【００１７】
さて図２は、図１に示すように組み立てた金型ユニット１を、熱プレス成形機１１に載置し、上，下のヒータ板１２、１３で軽く挟み込んだ状態を示したものである。図２からも明らかなように、挟み込んだ時にかかる押圧力は、複数個のガラスボール６に掛かっている。
【００１８】
この状態から、ヒータ板１２，１３に通電を行い加熱昇温を行う。金型ユニット１の温度が上がるに伴い、ガラスボール６の温度も上昇する。ガラスボール６の温度が軟化点温度を超えると、プレス圧を加えなくても金型ユニット１を挟み込んでいる押圧力によって、ガラスボール６は僅かながら潰れ（変形）始める。同時に、金型ユニット１の型内に載置されているレンズ素材５もプレス変形可能な状態まで軟化しているので、この状態でレンズ素材５と上パンチ型３の中心凸頂部が当接しても、当接部に集中応力は発生しない。
【００１９】
さらに温度が上がりレンズ素材５が所定のプレス開始温度に到達すると、徐々にプレス機の圧力を高め、以降適切な圧力で制御しながら、レンズ素材５を金型ユニット空間内に押し広げて行き、レンズ成形が進行する。
【００２０】
プレス成形進行に伴いガラスボール６も押し潰されて行く。上パンチ型３は徐々に押し下げられ、下降終端はフランジ面３ｂが、胴型４の端面４ａに当接した時点で止まる。レンズ素材５の体積は、上パンチ型３が終端まで押し下げられた状態における金型キャビティ空間の体積より若干少な目に造られている。
【００２１】
その後はプレス成形されたレンズ素材５が金型面に密着し金型形状を確実に転写するよう、数分間の保熱保圧工程を経過してから冷却工程に入る。
【００２２】
図３は、冷却工程が完了し金型ユニットを熱プレス成形機１１から取り出した時の状態を示したものである。成形レンズ７は既に固化している。成形前のガラスボール６は押し潰され不定形に変形しその一部は胴型側面に垂れ下がっている。この状態から金型を分解し、中の成形レンズ７を取り出す。潰れたガラスボールは金型から除去して廃棄する。ガラスボールは１回だけの使い切りであるが、ガラスボールの製法は鋼球の製法と同じであり、均一で高精度なものを大量に安価に造ることが可能である。したがって一度だけの使い切りでもコスト負担はごく僅かである。
【００２３】
このように本発明では、金型母材として切削加工ができる合金鋼を用いている。合金鋼を用いることで飛躍的に加工費を低減できるが、ガラスをプレス成形するような高温領域では合金鋼の硬度が低下し、被成形ガラスと金型とが点接触しかつ予備圧がかかっていると、点接触部分の金型面が極微小量変形する。これを回避するために、レンズ素材と同一材料かそれと熱軟化特性の近似した材料で造られたスペーサを用い、このスペーサ部材に金型加熱昇温時の予備圧が加わるように成し、レンズ素材が軟化するまでは、点接触が生じないようにしている。
【００２４】
【発明の効果】
このように本発明の成形金型と成形法を用いることで、金型の低コストが図れると共に、容易に大口径ガラスレンズの成形が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における金型キャビティ内にレンズ素材を載置して金型を組み立てた時の構成を示す断面図
【図２】本実施の形態における熱プレス成形機に金型ユニットを載置し、挟み込んだ状態を示す図面
【図３】本実施の形態において、冷却工程が完了し金型ユニットを熱プレス成形機１１から取り出した時の状態を示す図
【図４】従来の金型キャビティ内にレンズ素材を載置して金型を組み立てた時の構成を示す断面図
【図５】熱プレス成形機に金型ユニットを載置した状態を示す図面
【符号の説明】
１、２１  金型ユニット
２、２２  下パンチ型
３、２３  上パンチ型
４、２４  胴型
５、２５  レンズ素材
６  ガラスボール
７  成形レンズ
１１、３１  熱プレス成形機
１２、３２  下ヒータ板
１３、３３  上ヒータ板
３４  下断熱板
３５  上断熱板
３６  下冷却板
３７  上冷却板
３８  加圧装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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