(57)【要約】【課題】解析モデルの設定に手間がかからず、しかも短時間で押圧変形計算を行えるようにする。【解決手段】上下に対向配置された１対の成形型１１，２１間に、ガラス素材７を介装した解析モデル１を設定し、この解析モデル１を対象として成形シミュレーションを行う際に、解析モデル１の設定段階では、ガラス素材７の初期形状を、実際の成形における押圧工程の終了直前の形状として作成し、押圧工程の変形計算の段階では、実際の成形時と略同等の荷重でガラス素材７を押圧し、かつ実際の成形時よりも短い押圧時間で押圧する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱軟化した光学素子材料を押圧し、成形される光学素子の成形工程を計算で予測する光学素子の成形シミュレーション方法であって、
対向配置された１対の成形型間に光学素子材料を介装した解析モデルを設定し、該解析モデルを対象として成形シミュレーションを行う際に、
前記解析モデルの設定段階では、光学素子材料の初期形状モデルを、実際の成形における押圧工程の終了直前の形状として作成し、
押圧工程の変形計算の段階では、実際の成形時と略同等の荷重で光学素子材料を押圧し、かつ実際の成形時よりも短い押圧時間で押圧する、
ことを特徴とする光学素子の成形シミュレーション方法。
【請求項２】
前記光学素子材料の初期形状モデルとして、
実際の成形における押圧工程の終了時に型間距離が最短となる位置よりも外側にはみ出た部分については、前記１対の成形型の双方の成形面に倣った形状とし、
前記外側にはみ出た部分よりも更に外側の部分については、重力方向の下側の成形型に倣った形状とした、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形シミュレーション方法。
【請求項３】
前記光学素子材料以外の構成部材の全部又は一部を、変形計算が不要な剛体として前記解析モデルを作成した、
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シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非球面レンズ、プリズム、ミラー等の高精度な光学素子を製造するにあたり、その成形工程を計算で予測する光学素子の成形シミュレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学機器の小型化、軽量化のために非球面レンズ、レンズ機能を有するプリズム等、複雑な表面形状を有する光学素子が多く採用されている。それらの複雑な表面形状を有する光学素子は、研削や研磨加工で製造することが容易でないため、加熱軟化した光学素子材料を成形型によって成形する方法が採用されている。
【０００３】
一方、光学機器に搭載される光学素子は、高精度な形状が求められているが、押圧成形により高精度な光学素子を製造するためには、成形条件や成形型の形状を数多く試行し、最適な状態に設定する必要がある。しかし、実際に成形型を用い成形条件を調整して成形を実施し、成形品を試作、評価するためには、多大な時間と費用を要する。
【０００４】
そこで、近年、光学素子を成形する際の成形加工工程に関するシミュレーション技術が注目され、成形加工工程に関するシミュレーション解析を行って最適な成形条件や最適な成形型形状を設定する方法が開示されている。
【０００５】
例えば特許文献１には、最終成形品の形状に対して充填不足部が発生しない範囲で光学素子材料であるゴブ（例えばガラス塊）の形状を変え、ある温度範囲までゴブを昇温させるに必要な時間と、このゴブを加圧し最終成形品にまで変形するために必要な変形時間とを、シミュレーションにより算出し、この昇温時間＋変形時間が最短となるように設計して、成形のサイクルタイムを短縮する点が開示されている。
【０００６】
そして、この特許文献１では、ゴブを押圧して作る光学素子の成形工程に関し、ゴブを押圧する段階からシミュレーション計算を行い、外形形状を予測している。
【特許文献１】特開平２００３−４０６２９号公報（第３−４頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光学機能上や製品に光学素子をレイアウトする際の設計的な都合により、光学素子の外周部分を薄くしたいような場合は、成形前の光学素子材料を大変形させかつ略閉空間であるキャビティ内で押圧成形することになる。例えば図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、球状の光学素子材料を凹メニスカスレンズに成形する際、押圧工程の途中（図５（ｂ））から、光学素子の外周部分に相当する位置Ｂで、上型１１１及び下型１２１間の距離ｂが短くなる。
【０００８】
その結果、最終的に上型１１１及び下型１２１で形成されるキャビティ１１０が、略閉空間に近い状態となり、この状態でさらに押圧工程が図５（ｃ）まで進んで、押圧工程が完了する。このような外周部分の薄い光学素子の成形では、押圧工程後の冷却工程において、光学素子内に発生する応力により該光学素子が割れてしまうおそれがある。
【０００９】
そのため、実際に成形する前にシミュレーション解析を行って光学素子が割れるかどうか確認し、光学素子や成形工程を最適条件にしておきたいというニーズがある。
しかし、有限要素法によるシミュレーション解析で図５（ａ）〜（ｃ）の押圧工程を計算しようとすると、まず図５（ａ）から図５（ｂ）までの計算過程で、有限要素法を適用するために光学素子モデル上に作成したメッシュ（要素）が、大きく変形する。それに加えて、図５（ｂ）から図５（ｃ）までの計算過程においては、略閉空間の中で光学素子が細く押し出されるような変形を計算していくため、特に上型１１１と下型１２１との距離が短い付近（図５（ｂ）の位置Ｂ付近）で、光学素子モデル上に作成したメッシュ（要素）の変形が著しく大きくなる。メッシュの変形が大きくなると、シミュレーション計算を続行することができなくなったり、得られた結果が不正確なものになったりする。
【００１０】
このため、特許文献１のように、光学素子材料であるゴブの初期形状からシミュレーション解析を行うと、押圧工程の計算の途中で、メッシュを再度作り直したり初期に設定したメッシュサイズよりも小さいメッシュサイズに修正したりするリメッシュと呼ぶ作業をしなくてはならない。そのため、シミュレーション解析に多大な手間と時間を要するという課題があった。
【００１１】
本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、光学素子が冷却工程で割れるかどうかを判断するためのシミュレーション解析を短時間で、手間を要さずに行うことのできる光学素子の成形シミュレーション方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
加熱軟化した光学素子材料を押圧し、成形される光学素子の成形工程を計算で予測する光学素子の成形シミュレーション方法であって、
対向配置された１対の成形型間に光学素子材料を介装した解析モデルを設定し、該解析モデルを対象として成形シミュレーションを行う際に、
前記解析モデルの設定段階では、光学素子材料の初期形状モデルを、実際の成形における押圧工程の終了直前の形状として作成し、
押圧工程の変形計算の段階では、実際の成形時と略同等の荷重で光学素子材料を押圧し、かつ実際の成形時よりも短い押圧時間で押圧することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光学素子の成形シミュレーション方法において、
前記光学素子材料の初期形状モデルとして、
実際の成形における押圧工程の終了時に型間距離が最短となる位置よりも外側にはみ出た部分については、前記１対の成形型の双方の成形面に倣った形状とし、
前記外側にはみ出た部分よりも更に外側の部分については、重力方向の下側の成形型に倣った形状としたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の光学素子の成形シミュレーション方法において、
前記光学素子材料以外の構成部材の全部又は一部を、変形計算が不要な剛体として前記解析モデルを作成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、解析モデルの設定段階では、光学素子材料の初期形状モデルを、実際の成形における押圧工程の終了直前の形状として作成し、押圧工程の変形計算の段階では、実際の成形時よりも短い押圧時間で押圧するようにしたので、光学素子が冷却工程で割れるかどうかを判断するためのシミュレーション解析を短時間で、手間を要さずに行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（成形機の構成）
図１は、成形機１００の全体構成を示す。同図において、成形機１００は、対向配置された上下一対の金型組立体１０，２０を有し、この金型組立体１０，２０は、夫々成形面１１ａ、２１ａ（図２参照）を有する成形型１１、２１、該成形型１１，２１を周囲から支持するモールドダイ１２、２２、成形型１１，２１及びモールドダイ１２、２２の端面を支持するダイプレート１３、２３を有している。光学素子材料であるガラス素材７は、成形型２１の成形面２１ａ上に載置されている。
【００１７】
なお、金型組立体１０，２０は、成形面１１ａ、２１ａを有する成形型の単体でも良いし、成形面１１ａ、２１ａを有する成形型の単体と他の金型部材とを組み合わせたものでも良い。また、本実施形態では、光学素子材料としてガラス素材７を例として説明するが、これに限らず、例えば合成樹脂素材であっても良い。
【００１８】
上下一対の金型組立体１０，２０のうち、上金型組立体１０は、成形機１００の上方の固定軸１４の下端に断熱筒１５を介して取付けられている。また、下金型組立体２０は、成形機１００の下方の可動軸２４の上端に断熱筒２５を介して取付けられている。可動軸２４の下部には、不図示の駆動装置と荷重検出装置２６が設置されており、成形中の下金型組立体２０を駆動装置により上下移動させることによって、荷重検知しつつ型締め、加圧、型開きができるようになっている。
【００１９】
また、金型組立体１０，２０の周囲には、透明石英管３０が取付けられており、該透明石英管３０の上下両端部はシールプレート１７、２７に当接されている。このシールプレート１７、２７により、金型組立体１０，２０の周囲に気密性を備えた成形室３１が形成されている。更に、透明石英管３０の周囲には、赤外線ランプユニット３２が取付けられ、その周囲後方に配置された反射ミラーと共に金型組立体１０，２０を加熱するようになっている。
【００２０】
また、固定軸１４及び可動軸２４の内部には、成形室３１内のダイプレート１３，２３面に乾燥した窒素ガス（Ｎ2）を導入して、金型組立体１０，２０の酸化防止と冷却をするためのガス供給流路１８，２８が形成されている。また、図示しない水路がダイプレート１３，２３内に形成されており、金型組立体１０，２０を冷却するための冷却水が流れるようになっている。
（成形工程）
上記成形機１００を用いた場合の成形工程について説明する。
【００２１】
光学素子材料としては、略球形状のガラス素材７（（株）オハラのＬ−ＢＡＬ４２）を使用する。このガラス素材７は、予め下金型組立体２０の成形型２１の成形面２１ａ上に載置しておく（図１参照）。この状態で加熱工程に移行する。この加熱工程では、ガス供給流路１８，２８から成形室３１内に窒素ガスを供給し、該成形室３１内を窒素ガスで置換してから、赤外線ランプユニット３２により、上下１対の金型組立体１０，２０（成形型、モールドダイ、ダイプレート）、及びガラス素材７を加熱する。
【００２２】
ここで、上下の成形型１１、２１には、図示しない温度センサが設置されていて、この上下の成形型１１、２１は略６００℃に加熱される。ガラス素材７は、上下の成形型１１、２１の間に挟まれた状態で加熱されるため、ガラス素材７の温度も成形型１１，２１と同じく略６００℃に加熱される。
【００２３】
続いて、押圧工程では、最初に金型組立体１０，２０に所定の押圧荷重を付与し、冷却時には一定圧で保圧するような荷重条件として、可動軸２４を上方に駆動する。こうして、上下の成形型１１、２１の間でガラス素材７を押圧成形する。
【００２４】
ガラス素材７の成形では、ガラスが流動する温度まで昇温して押圧する。そして、押圧成形後の冷却工程では、ダイプレート１３，２３の水路に冷却水を供給すると共に、ガス供給流路１８，２８に窒素ガスを導入し続けることにより、ダイプレート１３，２３面から冷却を行い、室温付近（略２０℃）まで冷却した後に、上下の成形型１１、２１の間から成形後のガラス素材７（ガラス光学素子）を取り出す。
【００２５】
この冷却工程では、ガラス素材７に一定の保圧を加えながら、６００℃（加熱温度）から２５℃（室温）まで所定の冷却時間で冷却する。その後、光学素子の内部歪を除去して屈折率分布を一様にするため、加熱冷却（アニール）という工程を行う。
（解析モデルの作成）
図２は、成形シミュレーションに用いられる解析モデル１の詳細を示している。この解析モデル１は、上下に対向配置された１対の成形型１１，２１間に介装されたガラス素材７を有している。この解析モデル１に、成形シミュレーションを実施するために必要なガラスの物性値や摩擦係数、各種成形条件を入力する。
【００２６】
この図２は、押圧成形を例えば１００秒で終了するとした場合、その最終成形位置に至る０．１〜１秒前の解析モデルの状態を示しており、図３は、押圧工程の最終位置にあるときの解析モデルの状態を示している。
【００２７】
そして、本実施形態では、図２に示すように、実際の成形における押圧工程の終了直前の形状をガラス素材７の初期形状とし、この初期形状を形状モデルとする解析モデル１を作成し、この形状モデルのガラス素材７を複数の各要素に分割して（メッシュ化）、有限要素法によるシミュレーションを実行することとしている。
（シミュレーションの実行）
図４のフローチャートに基づき、上述した成形工程をシミュレーションにより実行する場合について説明する。
【００２８】
Ｓ１でスタートする際、予めコンピュータにガラスの物性値（ヤング率、線膨張係数等）、や摩擦係数のデータを読み込んでおく。
次に、Ｓ２でシミュレーションモデルの作成を行う。
【００２９】
ここでは、ガラス素材７のガラス種類の選択、成形温度、冷却時間の入力、押圧荷重の入力を行う。
次いで、Ｓ３では、押圧工程の終了直前のガラス素材７の外形を、解析モデル１としてモデル化する。すなわち、前述した図３に示すように、実際の成形における押圧工程の終了時に上下の成形型１１と２１間の距離ａが最短となる位置をＡとする。この位置Ａは、径方向で見ると有効光学径Ｄ１（成形型１１側）、Ｄ２（成形型２１側）を形成する位置になっている。押圧工程の終了直前の状態である前述の図２の状態において、図３の位置Ａに相当する位置をＥとする。
【００３０】
この位置Ｅも、径方向で見ると有効光学径Ｄ１（成形型１１側）、Ｄ２（成形型２１側）を形成する位置になっている。押圧工程の終了直前の状態であることから、距離ｅは図３の距離ａより長い。このとき図２に示すように、位置Ｅ（有効光学径Ｄ１、Ｄ２を形成する位置）よりも外側に若干はみ出た部分（ｓ）までは、ガラス素材７が成形型１１と２１に倣い、また、このはみ出し部分（ｓ）よりも更に外側の部分については、ガラス素材７が下側の成形型２１にならうように、解析モデル１をモデル化する。なお、このはみ出し部分（ｓ）よりも更に外側の部分を、ガラス素材７が下側の成形型２１にならうようにしたのは、ガラス素材７はその自重により重力方向である下方に垂れるためである。
【００３１】
なお、本実施形態では、光学素子としての凹メニスカスレンズの有効光学径Ｄをφ７〜φ１２とした場合、ｓの値は０．２〜０．５ｍｍとしている。また、この場合のシミュレーション計算では、押圧工程前と押圧工程終了時のガラス体積が同じになるように、３Ｄ−ＣＡＤの計算機能を利用して解析モデル１を作成しても良い。
【００３２】
上下型間の最短位置Ａに着目するのは、ガラス素材７の成形後の内部応力が最大となるのは、ガラス素材７の断面積が最小となる位置、すなわち上下の成形型１１，２１間の距離ａが最短となる位置だからである。また、この位置よりも外側（光軸中心から離れる側）では、前述したように、ガラス素材７が垂れて重力方向である下方の成形型２１に倣った形状となり、ここでは上方の成形型１１の影響がなくなる。
【００３３】
Ｓ４では、ガラス素材７以外の構成部材の全部又は一部、例えば上下の成形型１１，２１等については変形計算を不要とする剛体と仮定して、その形状のみをコンピュータに入力する。
【００３４】
次に、Ｓ５では、シミュレーション計算を実施する。
まず、所定の押圧荷重により、かつ実成形よりも短い押圧時間（０．１〜１秒程度）でガラス素材７を押圧する。ところで、ガラスのような高分子材料の特性で、押圧工程の成形温度付近ではガラス素材７の内部応力は短時間でごく小さい値へと緩和する。このため、シミュレーション計算において実成形より短い押圧時間でガラス素材７を押圧して求めた内部応力は、実際の押圧工程終了時の内部応力を再現している。更に、入力した冷却時間で、成形温度（６００℃）から室温（２５℃）まで一定速度で解析モデル１を冷却してガラス素材７の変形計算を行い、残留応力を算出する。
【００３５】
Ｓ６では、計算された応力値を、数値データや分布図として表示する。この応力値により、例えば設計者が光学素子としてのガラスが割れるかどうかの判断をする。なお、図示しないが、シミュレーション計算によりガラスが割れると判断された場合は、上下の成形型１１，２１間の距離ａが最短となる位置Ａの部分（図３参照）の型形状を修正する。
【００３６】
以上説明した本実施形態によれば、解析モデル１の作成時、実際の成形における押圧工程の終了時に成形型１１と２１間の距離が最短となる位置よりも外側にはみ出た部分（図２の（ｓ））まではガラス素材７が成形型１１と２１にならう形状でモデル化し、かつ実成形よりも短い時間しか押圧工程のシミュレーション計算をしない。そのため、略閉空間の中で光学素子材料であるガラス素材７が細く押し出されるような変形を計算しないで済みメッシュの変形が少ないので、計算の途中でメッシュを再度作り直したりメッシュサイズを小さくするというリメッシュ作業が必要ない。よって、多大な手間と時間を要さずに、短時間で、光学素子が冷却工程で割れるかどうかを判断することができる。また、冷却計算前に短時間の押圧計算を入れているので、冷却工程におけるガラスの内部応力を正確に再現することができる。更に、ガラス素材７以外の構成部材である成形型の全部又は一部を剛体としたので、解析時間の短縮やデータ取得の手間を省くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】光学素子材料を成形する成形機の全体構成を示す図である。
【図２】成形シミュレーションに用いる解析モデルを示す図である。
【図３】押圧工程の最終位置にあるときの解析モデルの状態を示す図である。
【図４】本実施の形態におけるフローチャートを示す図である。
【図５】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、球状のガラス素材を押圧成形する際の従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１        解析モデル
７        ガラス素材
１０      金型組立体
１１      成形型
１２      モールドダイ
１３      ダイプレート
１４      固定軸
２０      金型組立体
２１      成形型
２２      モールドダイ
２３      ダイプレート
２４      可動軸
１００    成形機
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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【図５】
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