(57)【要約】【課題】成形が困難な複雑な形状であっても、サイクルタイムを長くすることなく、良好な転写精度で成形する。【解決手段】光学素子成形装置は、  光学素子素材を一対の成形型によって成形して光学素子とする。加熱軟化された光学素子素材７を押圧する一対の成形型４，８と、ヒータ１２を備え、押圧された光学素子素材７を冷却するときに一対の成形型４，８にそれぞれ接触する部分の材料が熱伝導率３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である一対のプレート３ａ、９ａとを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子素材を一対の成形型によって成形して光学素子とする光学素子成形装置において、
加熱軟化された光学素子素材を押圧する一対の成形型と、
ヒータを備え、押圧された光学素子素材を冷却するときに前記一対の成形型にそれぞれ接触する部分の材料が熱伝導率３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である一対のプレートと、
を具備することを特徴とする光学素子成形装置。
【請求項２】
光学素子素材を一対の成形型によって成形して光学素子とする光学素子成形装置において、
加熱軟化された光学素子素材を押圧する一対の成形型と、
ヒータを備え、押圧された光学素子素材を冷却するときに前記一対の成形型の底面にそれぞれ接触する部分の面積が前記底面の面積全体よりも小さい一対のプレートと、
を具備することを特徴とする光学素子成形装置。
【請求項３】
前記一対の成形型にそれぞれ接触している部分がプレートから取り外し可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子成形装置。
【請求項４】
光学素子素材を一対の成形型によって成形して光学素子とする光学素子成形方法において、
加熱軟化された光学素子素材を押圧する一対の成形型によって押圧する押圧工程と、
押圧された光学素子素材及び前記一対の成形型を冷却位置に移送する移送工程と、
前記一対の成形型にそれぞれ接触している部分の材料が熱伝導率３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であるヒータを備える一対のプレートによって一対の成形型を冷却する冷却工程と、
を有することを特徴とする光学素子成形方法。
【請求項５】
光学素子素材を一対の成形型によって成形して光学素子とする光学素子成形方法において、
加熱軟化された光学素子素材を押圧する一対の成形型によって押圧する押圧工程と、
押圧された光学素子素材及び前記一対の成形型を冷却位置に移送する移送工程と、
前記一対の成形型の底面にそれぞれ接触している部分の面積が前記底面の面積全体よりも小さいヒータを備える一対のプレートによって一対の成形型を冷却する冷却工程と、
を有することを特徴とする光学素子成形方法。
【請求項６】
前記一対の成形型にそれぞれ接触している部分がプレートから取り外し可能であることを特徴とする請求項４または５に記載の光学素子成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子を成形する成形装置及び成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プレス成形によって光学素子を製造する場合には、サイクルタイムを短縮し、効率を向上させることが望ましい。このような従来の成形方法として、特許文献１には、プレス軸を複数配置し、各プレス軸で所定の工程を実施すると共に、型を順次移送して成形することが記載されている。
【特許文献１】特開２００１−１５１５１８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した従来の成形方法においては、各プレス軸の工程毎に温度を設定して型を移送する必要がある。例えば、形状を決定する工程では、ガラス素材を流動状態から固化させるステージでの冷却速度が大きな要因となる。従って、この工程での設定温度が重要であるのに反し、冷却のステージに移送された瞬間にガラスが急冷されるため、中心部の肉厚（以下、中肉厚）や外周部の肉厚（以下、コバ厚）が薄く成形が困難な非球面形状等の複雑な形状の場合は、急冷されることにより転写精度が悪化する。このため、ステージ数を増加して温度低下のステップを緩やかにすることがなされている。
【０００４】
これに対し、上記公報には、単一のプレスステージでも対応できることが記載されているが、この場合であっても、ステージの温度コントロールをすることが必要となる。従って、これらの対応策では、サイクルタイムが長くなったり、装置が大きくなったりするため、効率が悪く、容易に対応することができないものとなっている。
【０００５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、成形が困難な複雑形状の光学素子であっても、高精度な転写精度を容易に得ることができる成形装置及び成形方法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】
【０００６】
請求項１記載の発明の光学素子成形装置は、光学素子素材を一対の成形型によって成形して光学素子とする光学素子成形装置において、加熱軟化された光学素子素材を押圧する一対の成形型と、ヒータを備え、押圧された光学素子素材を冷却するときに前記一対の成形型にそれぞれ接触する部分の材料が熱伝導率３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である一対のプレートと、を具備することを特徴とする。
【０００７】
請求項１記載の発明では、プレートにおける成形型と接触する部分が熱伝導率３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下となっていることにより、冷却速度を遅くして光学素子素材を冷却することができるため、転写精度を向上させることができる。
【０００８】
請求項２記載の発明の光学素子成形装置は、光学素子素材を一対の成形型によって成形して光学素子とする光学素子成形装置において、加熱軟化された光学素子素材を押圧する一対の成形型と、ヒータを備え、押圧された光学素子素材を冷却するときに前記一対の成形型の底面にそれぞれ接触する部分の面積が前記底面の面積全体よりも小さい一対のプレートと、を具備することを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明では、プレートにおける成形型と接触する部分の面積が小さくなっていることにより、冷却速度を遅くして光学素子素材を冷却することができるため、転写精度を向上させることができる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の光学素子成形装置であって、前記一対の成形型にそれぞれ接触している部分がプレートから取り外し可能であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明によれば、一対の成形型との接触部分だけを交換することができるため、摩耗等に対する対応を簡単に行うことができる。
【００１２】
請求項４記載の発明の光学素子成形方法は、光学素子素材を一対の成形型によって成形して光学素子とする光学素子成形方法において、加熱軟化された光学素子素材を押圧する一対の成形型によって押圧する押圧工程と、押圧された光学素子素材及び前記一対の成形型を冷却位置に移送する移送工程と、前記一対の成形型にそれぞれ接触している部分の材料が熱伝導率３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であるヒータを備える一対のプレートによって一対の成形型を冷却する冷却工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の発明では、成形型と接触する部分が熱伝導率３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下となっているプレートを用いて冷却を行うため、冷却速度を遅くして光学素子素材を冷却することができ、これにより、転写精度を向上させることができる。
【００１４】
請求項５記載の発明の光学素子成形方法は、光学素子素材を一対の成形型によって成形して光学素子とする光学素子成形方法において、加熱軟化された光学素子素材を押圧する一対の成形型によって押圧する押圧工程と、押圧された光学素子素材及び前記一対の成形型を冷却位置に移送する移送工程と、前記一対の成形型の底面にそれぞれ接触している部分の面積が前記底面の面積全体よりも小さいヒータを備える一対のプレートによって一対の成形型を冷却する冷却工程と、を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明では、成形型と接触する部分の面積が小さくなっているプレートを用いて冷却を行うため、冷却速度を遅くして光学素子素材を冷却することができ、これにより、転写精度を向上させることができる。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項４または５に記載の光学素子成形方法であて、前記一対の成形型にそれぞれ接触している部分がプレートから取り外し可能であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の発明によれば、一対の成形型との接触部分だけを交換することができるため、摩耗等に対する対応を簡単に行うことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の光学素子成形装置によれば、冷却工程における成形型の冷却速度を遅くするプレート構造としているため、転写精度を向上させることができ、複雑な成形困難な形状であっても成形を行うことができる。
【００１９】
本発明の光学素子成形方法によれば、冷却速度を遅くして転写精度を向上させることが可能なため、通常では成形が困難な形状の成形が容易に可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を図示する実施の形態により具体的に説明する。なお、各実施の形態において、同一の部材には同一の符号を付して対応させてある。
【００２１】
（実施の形態１）
図１〜図４は、本発明の実施の形態１を示し、図１は光学素子成形装置の全体正面図、図２及び図３は成形に用いるプレートの斜視図及び断面図、図４は転写精度の特性図である。
【００２２】
光学素子成形装置は、図１に示すように、入口シャッタ５、出口シャッタ１０及びケーシング２によって形成された空間内に複数（４基）のプレス軸を横並び状に配置することにより、４工程を行って光学素子を成形するようになっている。成形は、空間内を不活性ガス雰囲気とし、右側のプレス軸から左側のプレス軸に向かって順に型ブロック２０を移動させることにより行われる。型ブロック２０の移動は、図示を省略したアームによって行われる。
【００２３】
工程１は型と光学素子素材としてのガラス素材の加熱工程、工程２はガラス素材の押圧工程、工程３は押圧された光学素子の第１冷却工程、工程４は光学素子を取り出し可能な温度までの第２冷却工程である。
【００２４】
型ブロック２０は、一対の成形型としての上型４及び下型８と、スリーブ６とが組み合わされることにより構成されている。
【００２５】
上型４は、ガラス素材を成形する成形面部４ａと、円柱形状の本体部４ｂと、本体部４ｂよりも外径が大きいフランジ部４ｃとから構成されており、下型８も上型４と同様に、成形面部８ａと、本体部８ｂと、フランジ部８ｃとから構成されている。スリーブ６は、内部に上下型４、８の本体部４ｂ、８ｂを嵌合させ、下端部が下型８のフランジ部８ｃ上に載置される。この場合、スリーブ６の上端部と上型４のフランジ部４ｃとの間には隙間が設けられており、後述する工程２の押圧工程で上型４が下降できるようになっている。
【００２６】
それぞれのプレス軸は、型ブロック２０を挟み込む上プレート３及び下プレート９を有している。また、工程１、２、３におけるプレス軸の上下プレート３，９は、ヒータ１２を内蔵しており、工程４におけるプレス軸の上下プレート３，９は、水等の冷媒が循環する冷却管１１を内蔵している。この実施の形態において、下プレート９は定位置に固定されているが、上プレート３は、シリンダ１により上下動するようになっている。
【００２７】
図２は、工程３のプレス軸における下プレート９ａを上から見た斜視図である。下プレート９ａにおける型が移送され載置される部分には、チップ１４が設置されることにより、チップ１４が下型８と接触するようになっている。チップ１４は、プレート本体２３に凹部２４を形成し、この凹部２４に装着されることにより、プレート９ａに取り付けられる。プレート本体２３及びチップ１４は、異種材料、異種形状によって構成されている。
【００２８】
図３は、プレート９ａへのチップ１４の取り付け構造を示す。チップ１４は弾性力を有する弾性部材２５，２６を介してねじ２７によりプレート本体２３に固定されており、高温時もプレート９ａ及びチップ１４は確実に固着された状態となっている。チップ１４の固定は、チップ１４の側面を弾性部材２５，２６で挟み込んだ状態で、プレート本体２３の凹部２４に挿入し、一方の弾性部材２５をチップ１４の側面に向かって押し付けるようにねじ２７で締め付けることにより行われる。
【００２９】
なお、工程３のプレス軸における上プレート３ａについては、下プレート９ａと同様であるため、説明は省略する。
以上のような成形装置において、成形型及びガラス素材の冷却は、主に成形型が低温のプレート上に移送されることで成形型とプレートの接触による熱伝導での熱移動により行われる。このときの熱の単位時間、単位面積当たりの熱移動量ｑは、熱伝導率をλ、温度の変化をｔ、厚さをｍとすると、ｑ＝ｔ／（ｍ／λ）で表される。そのため、急冷を抑えるためには熱移動量を小さくする必要があるが、これは上記式より熱伝導率λ、及び面積を小さくすることで達成できることがわかる。従って、急冷を防止する対策としては、プレートにおける成形型との接触部分の熱伝導率を小さくすること、接触部分の接触面積を少なくすることが有効である。
【００３０】
この実施の形態においては、工程３に用いるプレート９ａ、３ａにおける成形型との接触部分がチップ１４によって構成されており、そのチップ１４の材料を変えて熱伝導率を小さくしたり、チップ１４の形状を変えて接触面積を小さくすることにより成形型が急冷されることを防止するものである。このようにプレート９ａ、３ａの全体を変更せずにチップ１４によって対応を行う理由は、熱伝導率が小さい材料等にした場合に温度制御が安定しないため、目的の効果が得られる最低限の大きさで対応する必要があるためである。これにより、成形されるレンズ等の光学素子の形状によって冷却速度を容易に変更することができ、簡単な構成で冷却速度の制御ができるため、サイクルタイムも短縮することが可能となる。
【００３１】
次に、この実施の形態による光学素子の成形を説明する。
【００３２】
モールド用の硝材（転移点５０６℃、軟化点６０７℃）からなるファインゴブをガラス素材７として使用し、凹メニスレンズを成形する場合、同レンズは外径φが１５ｍｍ、光学面の曲率がＲ３０ｍｍ、Ｒ１００ｍｍであり、中肉厚が１．１ｍｍと成形が困難な複雑形状であり、成形時において急冷を行う場合には、良好な転写精度が得られないものである。
【００３３】
図１に示すように、ガラス素材７を下型８の上に載置し、筒状のスリーブ６を設置し、次に上型４を静かにスリーブ内に挿入することにより、上型４、下型８及びスリーブ６によりガラス素材７を保持した型ブロック２０の組み立てられる。このとき、スリーブ６の上端部と上型４のフランジ部４ｃとの間には隙間が設けられており、工程２の押圧工程で上型４が下降できるようになっている。
【００３４】
次に、組み立てた型ブロック２０シャッタ５の前にセットし、図示しないスタートボタンを押して成形をスタートする。各工程の時間は２分として条件設定がなされている。
【００３５】
工程１では、型ブロック２０の加熱が行われ、ガラス素材７を押圧可能な温度まで昇温する。この実施の形態では、上型４と接続される上プレート３、下型８と接触される下プレート９をそれぞれ５７０℃の温度となるように設定してある。上プレート３、下プレート９からの熱伝導によって２分間加熱した後、型ブロック２０を工程２に移送する。
【００３６】
工程２では、加熱軟化されたガラス素材７の押圧が行われる。押圧は、上プレート３によって上型４を下降させ、５００Ｎの力で押圧することにより行う。約１分間で押圧は完了し、残りの１分はプレス圧を解放した自重保持を行うように設定している。
【００３７】
次に、押圧されたガラス素材７の第１冷却を行う工程３に移送する。この工程３では、ガラス素材７を固化して転写精度を確保する必要があり、固化時のガラスの収縮に応じてガラス素材７を変形させる必要がある。この第１冷却が急冷であると、ガラス素材の薄肉の部分が先に固化するため、上述した凹レンズでは、肉厚が薄い中心部が先に固化するのに対し、外周部や厚肉の部分はまだ収縮するため、中心部が固化するとレンズ中心部分がストッパになり、押圧ができなくなって収縮する部分に押圧追従できずに形状が劣化する。そのため、冷却速度はなるべくゆっくりにして温度分布が発生しないようにすることが好ましい。
【００３８】
工程３に用いる上プレート３ａ及び下プレート９ａでは、上下型４、８のフランジ４ａ，８ａの底面が接触する部分に図２及び図３に示すように材質の異なるチップ１４が埋め込まれている。このチップ１４はプレート９ａ、３ａの材料ではなく、それ以外の材料により構成されている。この実施の形態では、上プレート３ａ及び下プレート９ａの全体が、４２Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する超硬合金によって形成されている。これに対し、チップ１４としては、熱伝導率が１．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）のジルコニアを用いている。上下プレートの全体をジルコニアによって構成すると、ジルコニアの熱伝導率が小さいため制御が困難になるのと、破壊靭性が小さいため割れ等により破損しやすくなる。このため、ジルコニアからなるチップ１４を用いるものである。
【００３９】
この実施の形態では、型の底面の径φ２２ｍｍに対して、図２に示すチップ１４は幅４０ｍｍ、長さ４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのサイズを用いている。これらの条件については、シミュレーション等で大きさ、材質を求めることも可能であり、また、実験から求めることも可能である。
【００４０】
図４（ｂ）は、この実施の形態のチップ１４を用いた場合の形状測定データであり、図４（ａ）の従来に比べて転写精度が向上している。これは、図４（ｂ）のＰＶ（ｐｅａｋ  ｔｏ  ｖａｌｌｅｙ）値が図４（ａ）よりも小さくなっていることから明らかである。
【００４１】
このような作用は、温度勾配の変更が効果を発揮するものである。すなわち、ガラス素材７の温度低下速度を測定したところ、Ａｔ点（屈伏点温度）からＴｇ点（転移点温度）までのガラス素材７の温度の低下速度が、従来は平均で約３℃／秒程度であるのに対し、この実施の形態では平均で約１℃／秒となっている。従って、ガラス素材７の温度分布も小さくなっているものと考えられ、転写精度が向上している。
【００４２】
このように、第１冷却時のプレート９ａ，３ａに対し、熱伝導率の小さな材質からなるチップを設けて冷却速度を制御することにより、ガラス素材７が成形困難な形状であっても良好な転写精度を得ることができる。また、チップの材質や、大きさを変更することにより、冷却速度を必要に応じて制御や変更できるため、サイクルタイムを長くしたり、工程を複雑にすることなく成形が困難な形状への転写精度を向上させることができる。
【００４３】
第２冷却としての工程４は、ガラス素材７を取り出し可能な温度まで冷却して光学素子としてのレンズとする工程である。この工程では、１８０℃に温度設定して実施した。工程４まで完了して、装置から型ブロック２０が排出された後、上型４を取り外して成形されたレンズを取り出して成形が終了する。
【００４４】
成形数を重ねた場合には、摺動によりプレートが摩耗によって減り、成形されるレンズの偏心精度への問題が発生する。これは、押圧時に上プレート３及び下プレート９の傾きが、それぞれ上型４、下型８の底面に対して、面当たりするために上型４、下型８の傾きに影響するためである。レンズの偏心を決定するのは、第１冷却を行う工程３であることから、この工程における上プレート３ａ、下プレート９ａの傾きが重要となる。この実施の形態では、摺動部分がチップ１４となっており、このチップ１４が容易に交換できるため、上述した要求に容易に対応することができる。また、チップ１４に対し厚みの変化による傾斜を設けることも可能であり、これにより、僅かに調整不足のプレートのチルト分を補正することが容易となる。
【００４５】
この実施の形態では、チップ部分のみを材質変更したことによるプレートを用いているが、プレート自体が小さく設計されていたり、サイクルタイムが許容される場合は、チップの装着という構成とすることなく、プレート全体の材質を変更して冷却速度を緩和しても良い。
【００４６】
なお、チップ１４の材料として、ジルコニアを用いているが、セラミックスや合金類、ステンレス等の熱伝導率を満たしていれば使用可能である。材料の変更に対しては、比熱や破壊強度、線膨張率等の要素に基づいた必要な形状が変更するため、転写精度の確認が必要となる。この場合において、その他のコストや材料の入手性、加工性等を加味して選定することができる。
【００４７】
このような実施の形態によれば、型移動方式の成形装置及び成形方法において、成形困難な複雑形状のレンズ等の光学素子であっても、最小のステージ数で、最小のサイクルタイムで高精度な転写精度を容易に得ることができる。
【００４８】
（実施の形態２）
実施の形態２においては、全体構成及び作用は実施の形態１と同様であり、成形されるレンズ形状、型形状及び使用するガラス素材等も同様である。この実施の形態では、第１の冷却としての工程３に用いる上下プレート９ａ、３ａに対し、成形型との接触面積が小さなチップ１５を用いるものであり、これにより、冷却速度が遅くなるように制御するものである。
【００４９】
図５は、この実施の形態における下プレート９ａを示し、上プレート３ａも同様となっている。下プレート９ａには、チップ１５が固定されている。チップ１５は、プレート本体２３と同じ材質からなる超硬合金によって形成されていると共に、複数の溝１６が形成されている。複数の溝１６は平行となっていると共に、矢印で示す型ブロック２０の送り方向Ｈと同じ方向に沿って延びている。
【００５０】
チップ１５に溝１６を形成することにより、成形型との接触面積が通常の場合の接触面積に比較して５０％程度となっており、これにより、冷却速度が半減するようになっている。これにより、実施の形態１と同様にＡｔ点からＴｇ点までのガラス素材７の温度低下速度（冷却速度）が平均で約１℃／秒とすることができ、転写精度も同様に向上されることができる。
【００５１】
この実施の形態においては、チップ１５部分に溝１６を形成することにより成形型との接触面積を減少しているが、接触面に微小な凹凸を設けたり、パンチメタルのように複数の円形の穴を形成しても同様である。また、実施の形態１と同様に、チップ部分のみでなく全体を同様の形状としたり、転写精度を向上させるために材質の変更を組み合わせて冷却速度を低下させても良い。
【００５２】
なお、成形型の底面とプレートの接触状態は、成形されるレンズの光軸に対応する軸と対称となることが有効であり、大口径の場合は形状の非対称性に影響が生じる虞があるが、レンズが小径の場合には、単純な溝１６であっても問題はないものである。
【００５３】
なお、以上の実施の形態では、冷却速度を１℃／秒に設定しているが、０．５℃／秒以上、２℃／秒以下であれば良好な成形を行うことが可能である。冷却速度が０．５℃／秒よりも遅い場合には、必要以上にサイクルタイムが長くなり、また、２℃／秒よりも早い場合には、ガラス素材が急冷するため、転写精度が低下する問題が生じる。このため、冷却速度が０．５℃／秒以上、２℃／秒以下の範囲に入るように、第１の冷却工程（工程３）で用いるプレート９ａ、３ａに挿入するチップ１４，１５の材質やチップ１４，１５と成形型との接触面積を設定する。
【００５４】
また、チップ１４，１５は、熱伝導率３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも大きい材質の場合には、ガラス素材が急冷するため、転写精度が低下する問題が生じる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態に用いる成形装置の正面図である。
【図２】実施の形態１のプレートの斜視図である。
【図３】実施の形態１のプレートの断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、転写精度を示す特性図である。
【図５】実施の形態２のプレートの斜視図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  シリンダ
３，３ａ  上プレート
６  スリーブ
７  ガラス素材
８  下型
９，９ａ  下プレート
１２  ヒータ
１４，１５  チップ
【図１】
2005272279.tif 000003
【図２】
2005272279.tif 000004
【図３】
2005272279.tif 000005
【図４】
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【図５】
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