(57)【要約】【課題】  素材の体積や形状等にばらつきがあっても、所定の厚みを有する精密な光学素子を製造することができる光学素子のプレス成型方法およびプレス装置を提供する。【解決手段】  上型と下型を有する金型を用いて光学素子をプレス成型する方法であって、プレス成型中に上型と下型間の間隔を測定し、その測定値に応じてプレス成型を終了または継続する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上型と下型を有する金型を用いて光学素子をプレス成型する方法であって、
前記プレス成型中に前記上型と前記下型間の間隔を測定し、該測定値に応じてプレス成型を終了または継続することを特徴とする光学素子のプレス成型方法。
【請求項２】
予め、温度、圧力、時間について成型条件を設定し、該成型条件でプレス開始後、前記設定時間経過前に、前記間隔が、成型品の厚み公差の下限に対応する値に達したときにプレス成型を終了し、前記下限に対応する値に達していなければプレス成型を継続し、前記設定時間に達したときに、前記間隔が、成型品の厚み公差の上限に対応する値に達していればプレス成型を終了し、前記上限に対応する値に達していなければプレス成型を最大延長時間まで延長する請求項１に記載の光学素子のプレス成型方法。
【請求項３】
前記上型と前記下型との間の間隔を測定するための測定装置を備えた請求項１又は２に記載の光学素子のプレス成型方法を実施するためのプレス成型装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学機器に使用される高精度なガラスレンズ等の光学素子を成型するプレス成型方法およびプレス成型装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガラスレンズに代表される光学素子の性能は、主に光学面の面形状および光学素子の厚みによって決定される。殊に、近年は高性能な光学素子が要求されており、その性能を保つためには、光学面形状においてはサブミクロン程度、厚みにおいては数ミクロン程度の誤差しか許容できない。しかも、近年は光学素子の需要が高まっているため、このような高性能の光学素子を大量にかつ安定した性能で製造することが望まれる。
【０００３】
このような光学素子の製造方法として代表的なものに、例えば特許文献１に示すようなプレス成型があり、これによると、研磨等の工程を省略できるため、量産可能な製造方法として実施されている。その中でも、リヒートプレス法が近年広く実施されている。これは、所定の形状および大きさの常温のガラス素材を、上型と下型とを有する金型内に配置し、金型を加熱してガラス素材を軟化させた後、プレス成型し、成型後に冷却する方法である。この方法によれば、成型品の光学面の転写に安定性があり、高性能の光学素子を量産可能であることが知られている。
【０００４】
プレス成型においては、通常、成型品の形状や成型素材に応じて、プレス時の温度、プレス力、プレス時間の組み合わせからなる成型条件が設定される。成型品の形状によっては、複数段階の成型工程を有し、プレス温度やプレス力がそれぞれの段階毎に異なる設定値となることもある。通常は、プレス力とプレス時間とを対にして成型条件が設定される。さらに、成型条件は、金型の転写精度、金型の耐久性、成型サイクル時間などを配慮しながら決定される。こうして設定された一定の成型条件により、加熱、プレス成型、冷却の各工程が繰り返されるのが、従来の一般的なプレス成型方法である。
【０００５】
ところが、このようなリヒートプレス方法によって光学素子を成型する場合、成型温度やプレス力、プレス時間からなる成型条件が一定であっても、成型品の肉厚や光学転写面形状がばらつくことがある。その原因のひとつが、ガラス素材の体積や形状のばらつきである。
【０００６】
ガラス素材の体積にばらつきがあるとガラス素材の熱容量がばらつき、形状にばらつきがあるとガラス素材への入熱状態が異なって、ガラス素材の温度分布が不均一になる。すなわち、ガラス素材に体積や形状のばらつきがあると、ガラス素材ごとに加熱状態が異なり、その結果、一定の成型条件で成型を行うと、成型品の肉厚、光学転写面形状のばらつきが生じることとなる。
【０００７】
したがって、安定した性能を有するガラス光学素子を大量に製造するためには、できるだけ体積や形状のばらつきの少ないガラス素材を使用することが好ましい。一般に、光学素子のプレス成型に用いられるガラス素材において、許容できるばらつきは、体積ばらつきとして目標値の０．５％程度、形状ばらつきとして目標値の１０μｍ以内と言われている。
【０００８】
しかしながら、ガラス素材の体積や形状を厳密に管理し、許容公差を小さくすることは、ガラス素材製造のためのコストを引き上げることとなる。また、上記のようなガラス素材の体積および形状のばらつきの公差内であっても、成型品にばらつきが生じることは不可避であり、一定の成型条件で精密な光学素子を製造するためには、素材寸法の公差を更に小さくする必要があり、コストが更に高くなる。
【０００９】
また、ガラス素材の体積や形状による要因以外にも、成型時の温度やプレス圧力の誤差等により、成型品の厚さがばらつくことがある。
【特許文献１】特開２０００−３２７３４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記従来技術を考慮してなされたものであり、素材の体積や形状等にばらつきがあっても、所定の厚みを有する精密な光学素子を製造することができる光学素子のプレス成型方法およびプレス装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、上型と下型を有する金型を用いて光学素子をプレス成型する方法であって、プレス成型中に上型と下型間の間隔を測定し、その測定値に応じてプレス成型を終了または継続することを特徴とする光学素子のプレス成型方法を提供する。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、予め、温度、圧力、時間について成型条件を設定し、その成型条件でプレス開始後、設定時間経過前に、間隔が、成型品の厚み公差の下限に対応する値に達したときにプレス成型を終了し、下限に対応する値に達していなければプレス成型を継続し、設定時間に達したときに、間隔が、成型品の厚み公差の上限に対応する値に達していればプレス成型を終了し、上限に対応する値に達していなければプレス成型を最大延長時間まで延長することを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明を実施するためのプレス成型装置において、上型と下型との間の間隔を測定するための測定装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によると、上型と下型間の間隔を測定しながらプレス成型を行うことにより、素材の寸法にばらつきがあっても、正確に所定厚さの成型品を得ることができ、歩留まりが向上し生産効率が向上する。さらに、素材の体積や形状のばらつきの許容公差を大きくすることができるので、素材製造のためのコストを低く抑えることができる。
【００１５】
請求項２の発明によると、予め設定した設定時間経過前に成型品の厚み公差の下限に対応する値に達した場合には、その時点でプレス成型を終了するので、成型品が厚み公差の下限よりも薄くなるのを防ぐことができる。また、設定時間に達しても厚み公差の上限に対応する値に達していない場合には、加熱状態であるプレス成型中にそれを検知してプレス成型を継続することにより、容易に対応して成型品の厚みを調整することができる。さらに、最大延長時間を設定することで、無駄にプレス時間を延ばしすぎて工程が滞るのを防ぐことができる。
【００１６】
請求項３の発明によると、上型と下型との間の間隔を測定する測定装置を備えることにより、簡単な構成で、上記請求項１および２の発明を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明のプレス成型装置の金型周辺部の概要を示す。
【００１８】
金型２は、円筒状の胴型２３と、その胴型２３内に嵌め込まれる下型２２と、胴型２３内部を摺動可能な上型２１とからなる。上型２１の下面および下型２２の上面が成型面であり、その間に素材３を配置してプレスし、光学素子を形成する。
【００１９】
金型２の上下には板材１１，１２が配置され、上側の板材１１の上方から、プレート５に固定されたプレスロッド４により、上型２１を押圧して素材３を加圧する。プレート５の上方に、接触式の位置センサ６が取り付けられる。この位置センサ６は、図示しない制御部に接続され、上型２１の摺動位置を測定し、その測定値を制御部へ送る。この摺動位置は、上型２１の成型面（下面）と下型２２の成型面（上面）間の間隔に対応する。制御部は、その測定値と、予め設定された上型摺動位置の設定値とを比較し、プレート５によるプレス力やプレス時間を制御する。位置センサ６は、成型品の厚み精度を制御するためのデータ採取に用いられるため、成型品の厚み精度に応じた分解能力を要する。なお、位置センサ６としては、非接触式のものを使用してもよい。
【００２０】
このような成型装置において、予め、成型温度、プレス力Ｆ、およびプレス時間Ｔからなる成型条件を設定し、制御部に記憶させておく。さらに、上型２１の摺動位置に関する制御情報として、基準厚さの成型品を得るときに対応する上型２１の摺動位置ｔ０、その基準厚さに対する公差ｄ、プレスの最大延長時間Ｔｅｘ等を設定しておく。
【００２１】
図２は、本発明のプレス成型の手順を示すフローチャートである。以下、図２に従って、プレス成型方法を説明する。
【００２２】
ステップＳ１：プレス成型装置に予め記憶させた標準の成型条件により、第１成型から第ｎ成型までのｎ段階によるプレスを開始する。成型条件は、温度（例えば６００℃）、プレス力Ｆ（例えば１００Ｎ）、および時間Ｔ（例えば５０秒）の３つの条件からなり、例えば、６００℃まで加熱した後、１００Ｎで５０秒加圧し、冷却工程に入るという工程である。この標準の成型条件は、成型品の肉厚が所望の寸法に得られるような組み合わせにより設定されたものであり、プレス力Ｆとプレス時間Ｔを対として、例えば複数の成型段階を有する場合には、第１成型から第ｎ成型までの各成型段階ごとに異なるプレス力Ｆ１〜Ｆｎおよび時間Ｔ１〜Ｔｎにより設定される。
【００２３】
ステップＳ２：ステップＳ１が始まると同時に、上型の摺動位置、すなわち上下の金型間隔の測定を開始する。
【００２４】
ステップＳ３：金型間隔が、許容厚さの下限の成型品を得るときの金型摺動位置ｔｄ、すなわち、成型品が基準値に対して公差ｄだけ小さい寸法となるときの金型摺動位置（ｔｄ＝ｔ０−ｄ）に達しているかどうかを判定する。この公差ｄは、予め設定しておき、例えば成型品の基準厚さ３ｍｍに対して、公差ｄ＝０．００５ｍｍと設定される。この時点で成型品が下限の厚さに達している場合には、予定のプレス時間が経過していなくても、これ以上プレスを行わず、ステップＳ１０へ進んでプレスを終了する。
【００２５】
ステップＳ４：ステップＳ３において、金型摺動位置がｔｄに達していない場合には、プレスを継続する。
【００２６】
ステップＳ５：予め設定した合計プレス時間Ｔｓに達したかどうかを判定する。Ｔｓに達していない場合には、ステップＳ２に戻る。
【００２７】
ステップＳ６：ステップＳ５において、プレス時間Ｔｓに達している場合には、金型間隔が、許容厚さの上限の成型品を得るときの金型摺動位置ｔｕ、すなわち、成型品が基準値に対して公差ｄだけ大きい寸法となるときの金型摺動位置（ｔｕ＝ｔ０＋ｄ）に達しているかどうかを判定する。金型摺動位置がｔｕに達していれば、ステップＳ１０へ進んでプレスを終了する。
【００２８】
ステップＳ７：ステップＳ６において、金型摺動位置がｔｕに達していない場合には、プレス時間を延長する。
【００２９】
ステップＳ８：ステップＳ７による延長が開始されると同時に、金型摺動位置がｔｕに達したかどうかを判定する。金型摺動位置がｔｕに達すると、ステップＳ１０へ進んでプレスを終了する。
【００３０】
ステップＳ９：ステップＳ８において、金型摺動位置がｔｕに達していない場合、あらかじめ設定したプレスの最大延長時間Ｔｅｘに達したかどうかを判定する。最大延長時間Ｔｅｘに達したときには、金型摺動位置が所定の公差内に達していなくても、ステップＳ１０へ進んでプレスを終了する。最大延長時間Ｔｅｘに達していないときには、ステップＳ７に戻り、プレスをさらに延長する。
【００３１】
ステップＳ１１：上記の手順によりステップＳ１０に到達した後、さらに別の素材がある場合には、ステップＳ１に戻り、別の素材に関するプレス成型を上記と同様に行う。別の素材がなければ、作業を終了する。
【００３２】
図３は、図２のプレス成型方法による成型例であり、予め設定した標準の成型条件によって基準厚さの成型品が得られる場合の例を示す。横軸は時間経過を示し、上から順に、温度、プレス力、金型摺動位置を示すグラフである。
【００３３】
金型に素材がセットされると、先ず金型を所定温度まで加熱する。その後、合計プレス時間Ｔｓの間に、第１成型から第３成型までの徐々にプレス力が小さくなる３段階のプレスが行われる。第３成型のプレスが終了し、時間Ｔｓが経過したところ（時点Ｔ１）で、上型と下型の間隔が、ちょうど基準厚さの成型品が得られる位置、すなわち金型摺動位置がｔ０に達する。これにより、基準値通りの成型品が成型され、その後、冷却工程に入る。
【００３４】
図４は、図２のプレス成型方法による成型の異なる例であり、予め設定した標準の成型条件の合計プレス時間Ｔｓよりも短い時間でプレスを終了する場合の例を示す。各グラフの縦軸および横軸が示す項目は図３と同様であり、太い点線は、標準の成型条件による成型工程を示す。
【００３５】
予め設定された３段階のプレスのうち、第２成型の途中（時点Ｔ２）で、金型摺動位置がｔｄに達し、すなわち、成型品の厚さが公差の下限値に達したことを検知すると、予定の合計プレス時間Ｔｓの経過を待たずして、この段階でプレスを終了し、冷却工程へ移行する。この場合、従来の成型方法では、成型品の規格に対して厚さが不足したものが生産されるが、本発明によれば、許容範囲内の最小寸法の成型品が得られる。
【００３６】
図５は、図２のプレス成型方法による成型のさらに異なる例であり、予め設定した標準の成型条件の合計プレス時間Ｔｓよりも延長してプレスを行う場合の例を示す。各グラフの縦軸および横軸が示す項目は図３と同様であり、太い点線は、標準の成型条件による成型工程を示す。
【００３７】
予め設定された３段階のプレスを行って合計プレス時間Ｔｓが経過した後、金型摺動位置がｔｕに達しない場合、すなわち、まだ成型品の厚さが公差の上限値よりも厚いことが検知されると、予め指定されたプレス力で、プレスの延長を実施する。図５の場合は、標準のプレス工程の最終の第３成型時のプレス力でプレスの延長を行う。金型摺動位置がｔｕに到達したことが検知された段階でプレスを終了し（時点Ｔ３）、冷却工程へ移行する。この場合、従来の成型方法では、成型品の規格に対して厚さが超過したものが生産されるが、本発明によれば、許容範囲内の最大寸法の成型品が得られる。
【００３８】
図４および図５のように、金型間隔を計測し、その測定値に応じてプレス時間を調整することにより、従来の基準のプレス工程では公差内の成型品が得られない場合でも、容易に公差内の成型品を製造することができる。プレス時の温度やプレス力を変化させると、成型品の厚みが変わりすぎたり変化が少なかったりして微調整が困難であるが、プレス時間を増減する方法では、容易且つ精密に成型品の厚さを調整できる。
【００３９】
図６は、図２のプレス成型方法による成型のさらに異なる例である。各グラフの縦軸および横軸が示す項目は図３と同様であり、太い点線は、標準の成型条件による成型工程を示す。
【００４０】
予め設定された３段階のプレスを行って合計プレス時間Ｔｓが経過した後、金型摺動位置がｔｕに達していないことが検知されると、プレス時間を延長する。プレスの最大延長時間Ｔｅｘまでプレスを延長しても、金型摺動位置がｔｕに達しない場合には、これ以上プレスを行うことなく、プレスを終了する（時点Ｔ４）。この場合、最大延長時間Ｔｅｘが経過した段階で冷却工程へ移行するが、許容範囲内の寸法の成型品は得られない。このように、例えば素材の体積が大きすぎたり、金型内に異物が混入している等の原因により、基準値の公差内の成型品を得ることが不可能な場合、いつまでもプレスを継続して工程が滞ることのないように、最大延長時間Ｔｅｘが設定され、それ以上の時間はプレスを行わないようにする。
【実施例１】
【００４１】
図１に示すプレス成型装置で、図２に示すプレス成型方法に従って、厚さ２ｍｍの両凸レンズの成型を行った実施例について説明する。
【００４２】
金型内に配置する球形のガラス製素材の寸法は、直径２．９４ｍｍ、２．９７ｍｍ、３．０ｍｍ、３．０３ｍｍ、３．０６ｍｍの５種類とした。これらの寸法公差は±０，００５ｍｍである。
【００４３】
先ず、これらの中から直径３．０ｍｍのガラス素材を選択して金型に配置し、金型を赤外線ランプによって加熱した。成型条件は、成型時の温度５８０℃、プレス力１００Ｎ、プレス時間６０秒とした。この条件によって得られる成型品の厚みが２．０±０．００５ｍｍであることを確認して、これを基準の成型条件とした。このとき、金型摺動位置を示す位置センサの指示値は７．１５０±０．００５であった。これに基づき、成型品が最も厚くなるときの金型位置を７．１５５、成型品が最も薄くなるときの金型位置を７．１４５、プレスの最大延長時間を９０秒に設定した。プレス延長時のプレス力は１００Ｎとした。
【００４４】
このような条件のもと、上記の５種類のガラス素材に対して各々５０回のプレス成型を実施した。その結果を表１に示す。ガラス素材のサイズにかかわらず、成型品の厚さは、２．０００ｍｍ±０．００５ｍｍの範囲内のものが得られた。
【００４５】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、加熱、プレス成型、冷却の各工程を有する成型製品を製造するプレス成型方法および成型装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明のプレス成型装置の金型周辺部の概略図。
【図２】本発明のプレス成型方法の流れ図。
【図３】本発明によるプレス成型の標準例を示す説明図。
【図４】本発明によるプレス成型の異なる例を示す説明図。
【図５】本発明によるプレス成型の更に異なる例を示す説明図。
【図６】本発明によるプレス成型の更に異なる例を示す説明図。
【符号の説明】
【００４８】
２：金型、３：素材、４：プレスロッド、５：プレート、６：位置センサ、１１，１２：板材、２１：上型、２２：下型、２３：胴型。
【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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【図６】
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