(57)【要約】【課題】本発明は、成形装置の温度分布を有効に抑制し、高精度の光学素子を歩留まり良く成形できる光学素子の成形装置を提供する。【解決手段】上型と下型の間に光学素材が置かれた成形型５０を、加熱、プレス及び冷却の各ステージ３，４，５へ順次搬送して光学素子を成形する光学素子の成形装置であって、加熱、プレス及び冷却の各ステージにおいて成形型を搭載し、搭載された成形型に対して、それぞれ加熱、プレス及び冷却の各プロセスを行う上下一対の加熱プレート３ｂ、プレスプレート４ｂ及び冷却プレート５ｂの複数組のプレートを有し、冷却プレート５ｂの成形型５０の搭載面が、表面粗さがＲｚで７μｍ以上であるか又は前記成形型との接触面積を低減するための凹凸形状を設けて、成形型と冷却プレート間の接触熱伝達係数を低減させた光学素子の成形装置１。【選択図】図１
2013252986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上型と下型の間に光学素材が置かれた成形型を、チャンバー内に設けた加熱、プレス及び冷却の各ステージへ順次搬送して光学素子を成形する光学素子の成形装置であって、
前記加熱、プレス及び冷却の各ステージにおいて前記成形型を搭載し、搭載された前記成形型に対して、それぞれ加熱、プレス及び冷却の各プロセスを行う上下一対の加熱プレート、プレスプレート及び冷却プレートの複数組のプレートと、前記各組における一対のプレートを接近又は離間させて前記加熱、プレス及び冷却のプロセスを行わせる駆動手段と、前記各プロセス及び前記成形型の搬送を制御する制御手段と、を備えるとともに、
前記冷却プレートの前記成形型の搭載面が、表面粗さがＲｚで７μｍ以上であるか又は前記成形型との接触面積を低減するための凹凸形状を設けて、成形型と冷却プレート間の接触熱伝達係数を低減させたことを特徴とする光学素子の成形装置。
【請求項２】
前記接触熱伝達係数が、３０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）以下である請求項１記載の光学素子の成形装置。
【請求項３】
前記接触面積を低減するための凹凸形状が、格子状に形成された溝である請求項１又は２記載の光学素子の成形装置。
【請求項４】
前記格子状の溝が、幅０．１〜１０ｍｍ、ピッチ０．２〜２０ｍｍである請求項３記載の光学素子の成形装置。
【請求項５】
前記凹凸形状により、前記搭載面と前記成形型との接触面積が、前記搭載面が平面であるときの１／５〜１／１００である請求項１〜４のいずれか１項記載の光学素子の成形装置。
【請求項６】
上型、下型及び胴型を有する光学素子用の成形型であって、
前記上型及び下型を冷却する冷却プレートとの接触面が、表面粗さがＲｚで７μｍ以上であるか又は前記冷却プレートとの接触面積を低減するための凹凸形状を設けて、成形型と冷却プレート間の接触熱伝達係数を低減させたことを特徴とする成形型。
【請求項７】
前記接触熱伝達係数が、３０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）以下である請求項６記載の成形型。
【請求項８】
前記接触面積を低減するための凹凸形状が、格子状に形成された溝である請求項６又は７記載の成形型。
【請求項９】
前記格子状の溝が、幅０．１〜１０ｍｍ、ピッチ０．２〜２０ｍｍである請求項８記載の成形型。
【請求項１０】
前記凹凸形状により、前記搭載面と前記成形型との接触面積が、前記搭載面が平面であるときの１／３〜１／１０００である請求項６〜９のいずれか１項記載の成形型。
【請求項１１】
請求項１〜５のいずれか１項記載の光学素子の成形装置を使用し、前記成形型に光学素材を収容し、前記成形型を加熱して成形型内の光学素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素材を、プレス手段を用いて前記成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、前記成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学素材を固化させる冷却工程と、を有することを特徴とする光学素子の成形方法。
【請求項１２】
上型と下型の間に光学素材が置かれた成形型を、チャンバー内に設けた加熱、プレス及び冷却の各ステージへ順次搬送して光学素子を成形する光学素子の成形装置を使用する光学素子の成形方法であって、
請求項６〜１０のいずれか１項記載の成形型に光学素材を収容し、前記成形型を加熱して成形型内の光学素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素材を、プレス手段を用いて前記成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、前記成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学素材を固化させる冷却工程と、を有することを特徴とする光学素子の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子を連続的に製造可能な成形装置、成形型及び成形方法に係り、特に、光学素材を冷却する冷却プレートから光学素材へ伝達する熱の偏りを抑制し、光学素子の形状不良の発生を抑制できる光学素子の成形装置、成形型及び成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学素子用の成形型内に光学素材を収容し、加熱軟化させてプレス成形するという、光学素子を高精度に成形する方法が一般化してきた。そのような状況の中、製造コストを低減するために、成形型を各処理ステージに搬送し、複数の光学素子を連続的に製造する光学素子の成形装置が提案されている。
【０００３】
これら光学素子の成形装置において、光学素材の加熱軟化時には、光学素材を加工するのに十分な高温条件まで加熱し、プレス時にはその加熱状態を維持しながらプレスし、プレス後は、光学素材を冷却して固化させ光学素子を得る。そのため、成形装置における各処理ステージでは、個々のステージが所定の温度に管理されている。
【０００４】
各処理ステージは、一般に、内部にカートリッジヒータを設けた上下一対のプレートで構成されており、これら上下一対のプレートは、通常、四角い平板状のプレート内部に複数本の棒状のカートリッジヒータを水平方向に所定の間隔に配置して構成されている。ところが、このように配置したときのプレート温度は、プレート周辺部では温度が低下しやすく、プレート中央部はヒータに囲まれて温度が上昇しやすい。したがって、プレートにおける加熱状態が場所により異なる温度分布が生じてしまう。このようにプレート内で温度分布が生じると、そのプレート上にある成形型、ひいては光学素材を成形する成形面の温度にまで影響を与えてしまう。
【０００５】
そこで、プレート上の温度分布を改善するために、超硬合金の表面を所定の合金薄膜で被覆した特定の大きさからなる均熱板をプレート上に設けたり（特許文献１参照）、プレート表面の成形に対応する周辺部分と内側部分との温度差を所定範囲に保持するために内側と外側のカートリッジヒータの出力を制御する温度制御手段を設けたり（特許文献２参照）、する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２５９２４０号公報
【特許文献２】特開２００８−６９０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の成形型を搬送移動させながら順次処理を行っていく成形装置においては、まず、成形型が装置内に取入れられ、初めの加熱ステージでは徐々に光学素材を昇温させていき、加熱の最終段階で最高温度に到達させる。次に、この最高温度を維持しながらプレス成形を行って光学素材に光学素子形状を付与する。そして、最後に、冷却ステージで光学素材の温度を徐々に下げて光学素材を冷却、固化させる。
【０００８】
このような成形操作を行うにあたっては、装置全体の温度勾配は、成形型の取入れ口側から徐々に高くなり、プレス成形処理を行うプレスステージを頂点として、成形型の取出し口側に向かって徐々に低くなっている。
【０００９】
したがって、各ステージは隣接するステージの温度に影響されて、所定の温度よりも高温あるいは低温になってしまい、同一プレート内で温度差が生じてしまう。このような場合には、特許文献１及び２のようにプレート単独で考えただけでは足りず、隣接するプレートの影響等も考慮に入れなければ、温度分布を効果的に抑制できない。
【００１０】
例えば、冷却ステージにおいて、隣接するステージがプレスステージであった場合、その冷却ステージのプレスステージ側の温度が高く、その逆側の温度が低くなってしまうため、冷却プレート上にある成形型内部に温度分布が発生し光学素材の冷却を一様に行えず、場所によって冷却速度が変わってしまう。そのため、所望の形状を得られなくなり歩留まりを低下させるという問題があった。このような問題は特に、製造する光学素子の直径が大きくなり、隣接するプレートとの距離が短くなると顕在化してくる。
【００１１】
そこで、本発明は、光学素子の製造にあたって、プレートの温度分布の影響を受けにくくして、光学素子を歩留まり良く製造できる光学素子の製造装置及び製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、鋭意検討した結果、光学素子に直接影響を与える成形型の均熱化を図るため、成形型と冷却プレートの熱伝達機構に着目し、冷却プレートにおいて、その表面形状の表面粗さを大きくし又は表面に凹凸形状を設けて、両者間の接触熱伝達係数を低減させた光学素子の成形装置により、上記問題を解決できることを見出し、本発明を完成した。
【００１３】
すなわち、本発明の光学素子の成形装置は、上型と下型の間に光学素材が置かれた成形型を、チャンバー内に設けた加熱、プレス及び冷却の各ステージへ順次搬送して光学素子を成形する光学素子の成形装置であって、
前記加熱、プレス及び冷却の各ステージにおいて前記成形型を搭載し、搭載された前記成形型に対して、それぞれ加熱、プレス及び冷却の各プロセスを行う上下一対の加熱プレート、プレスプレート及び冷却プレートの複数組のプレートと、前記各組における一対のプレートを接近又は離間させて前記加熱、プレス及び冷却のプロセスを行わせる駆動手段と、前記各プロセス及び前記成形型の搬送を制御する制御手段と、を備えるとともに、
前記冷却プレートの前記成形型の搭載面が、表面粗さがＲｚで７μｍ以上であるか又は前記成形型との接触面積を低減するための凹凸形状を設けて、成形型と冷却プレート間の接触熱伝達係数を低減させたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の成形型は、上型、下型及び胴型を有する光学素子用の成形型であって、前記上型及び下型を冷却する冷却プレートとの接触面が、表面粗さがＲｚで７μｍ以上であるか又は前記冷却プレートとの接触面積を低減するための凹凸形状を設けて、成形型と冷却プレート間の接触熱伝達係数を低減させたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の光学素子の成形方法は、上記本発明の光学素子の成形装置を使用し、前記成形型に光学素材を収容し、前記成形型を加熱して該成形型内の光学素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素材を、プレス手段を用いて前記成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、前記成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学素材を固化させる冷却工程と、を有することを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明の他の光学素子の成形方法は、上型と下型の間に光学素材が置かれた成形型を、チャンバー内に設けた加熱、プレス及び冷却の各ステージへ順次搬送して光学素子を成形する光学素子の成形装置を使用する光学素子の成形方法であって、上記本発明の成形型に光学素材を収容し、前記成形型を加熱して成形型内の光学素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素材を、プレス手段を用いて前記成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、前記成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学素材を固化させる冷却工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光学素子の成形装置、成形型及び成形方法によれば、光学素子を製造する冷却工程において、成形型と冷却プレート間の接触熱伝達係数を低減し、成形型から光学素子に伝達する熱の温度分布を小さくできる。この温度分布の改善により、光学素子の形状不良の発生を抑制し、光学素子を安定して歩留まり良く製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態である光学素子の成形装置の概略構成図である。
【図２Ａ】図１の成形装置に用いた冷却プレートの平面図である。
【図２Ｂ】図１の成形装置に用いた冷却プレートの正面図である。
【図３】冷却プレートと成形型との接触熱伝達係数が変化したときの光学素子の下型との接触面の位置と温度を示した図である。
【図４】図３の光学素子の形状、下面温度の測定位置を示した図である。
【図５】本発明の他の実施形態である光学素子の成形装置の概略構成図である。
【図６】例１における成形型の温度変化を示した図である。
【図７】例２における成形型の温度変化を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態である光学素子の成形装置の概略構成図である（チャンバー２のみ断面で示している）。
本発明の光学素子の成形装置１は、光学素子を成形するための成形室となるチャンバー２と、該チャンバー２の内部に設けた光学素材を収容した成形型を加熱して光学素材を軟化させる加熱ステージ３と、加熱軟化した光学素材をプレスするプレスステージ４と、プレスにより光学素子形状が付与された光学素材を冷却する冷却ステージ５と、を有する。
【００２１】
ここで、成形室であるチャンバー２は、その内部において、光学素子の成形操作を行う場を提供する。このチャンバー２には、光学素子の成形型５０を内部に取り入れる取入れ口と、光学素子の成形が終了した後、成形型５０を取り出す取出し口が設けられ、この取入れ口及び取出し口には、それぞれ取入れシャッター６及び取出しシャッター７が設けられる。必要に応じて、これらシャッターを開閉して、成形型５０をチャンバー２から出し入れでき、チャンバー２内の雰囲気が維持される。また、この取入れ口及び取出し口には、そのチャンバー２外部にそれぞれ成形型５０を載置できる成形型載置台８及び９が設けられている。
【００２２】
このチャンバー２の内部には、光学素子を成形するための加熱ステージ３、プレスステージ４及び冷却ステージ５が設けられており、これらの各ステージにより成形操作を行う。実際には、光学素材を収容した成形型５０が、取入れ口からチャンバー２内に取り入れられ、上記の各ステージに順番に移動しながら所定の処理を施され、一連の処理が終了したところで成形型５０は、取出し口からチャンバー２の外部に取出される。
【００２３】
このチャンバー２の内部において、光学素材のプレス成形時には成形型５０は高温に加熱されるため、この成形型５０が酸化されないように、チャンバー内雰囲気は窒素等の不活性ガス雰囲気が好ましい。不活性ガス雰囲気とするには、チャンバー２を密閉構造として内部雰囲気を置換して達成できるが、半密閉構造とし、不活性ガスを常時チャンバー２内に供給しチャンバー内を陽圧にして、外部の空気が流入しないようにして不活性ガス雰囲気を維持してもよい。上記した取入れシャッター６及び取出しシャッター７は、チャンバー２内部を簡便な構成で半密閉状態とするのに効果的である。なお、これらチャンバー２及びシャッター６，７は、ステンレス、合金鋼等の高温下におけるガス、不純物が析出しない素材とするのが好ましい。
【００２４】
次に、本発明の成形操作を行う各ステージについて説明する。なお、各ステージの説明にあたって用いる成形型５０は、一般に、光学素子の上側の光学面を形成する上型と、下側の光学面を形成する下型とで構成される一組の成形型であり、さらに上型及び下型の位置合わせを行う胴型を有する。胴型は、プレス時に、上型及び下型の光軸を同軸上に規制する中空円筒形状の内胴と、内胴の外周に設けられ上型及び下型間の距離を規制する中空円筒形状の外胴と、で構成したものが好ましい。
【００２５】
また、この成形型５０は、超硬合金やセラミックス等の素材からなり、上型及び下型は、成形する光学素子の面形状を転写するための成形面をそれぞれ有しているが、ここで形成される光学素子形状は、両凸、両凹、平凸、平凹、凸メニスカス、凹メニスカス形状のいずれのレンズ形状を成形する成形型であってもよい。なお、外胴を用いる場合には、高温での耐久性、耐食性、高い機械的強度を持つ材質が好ましく、さらには高い熱膨張係数を持つ材質が好ましく、具体的にはＳＵＳ等のステンレスが好ましい。
【００２６】
本発明の加熱ステージ３は、成形型５０に収容された光学素材を軟化させ、その内部にカートリッジヒータ３ａが埋め込まれた上下一対の加熱プレート３ｂから構成される。この加熱プレート３ｂは、上下一対の加熱プレート３ｂを成形型の上型、下型にそれぞれ接触させ、上型及び下型を加熱する手段であり、熱伝導によりさらに成形型内部に収容されている光学素材をも加熱できる。
【００２７】
より具体的には、加熱ステージ３において、下側の加熱プレート３ｂはチャンバー２の底板に、断熱板３ｃ、加熱プレート３ｂがこの順番に積層して固定されており、下側の加熱プレート３ｂの熱をチャンバー２に伝達しない。
【００２８】
上側の加熱プレート３ｂは上下移動が可能となっており、こちらも上側の加熱プレート３ｂ自体の熱をそのまま伝えないように断熱板３ｃを介してシャフト３ｄと接続され、このシャフト３ｄは図示しないシリンダーによって加熱プレート３ｂを上下移動可能としている。このように、加熱プレート３ｂを上下移動可能とすれば、上側の加熱プレート３ｂの成形型５０の上型への接触・非接触を制御でき、所望のタイミングで成形型５０と光学素材を加熱できる。
【００２９】
本発明のプレスステージ４は、上下のプレスプレート４ｂ間の距離を狭めて成形型５０の上型と下型との距離も狭め、成形型５０内に収容された光学素材を軟化状態のまま押圧して変形させ、上型及び下型の成形面形状を光学素材に付与して光学素子を所望の形状に成形する。その内部にカートリッジヒータ４ａが埋め込まれた上下一対のプレスプレート４ｂから構成される。このプレスプレート４ｂを用いたプレスは前段階の加熱温度を維持して行われる。
【００３０】
より具体的には、このプレスステージ４において、下側のプレスプレート４ｂはチャンバー２の底板に、断熱板４ｃ、プレスプレート４ｂがこの順番に積層して固定されており、下側のプレスプレート４ｂの熱をチャンバー２に伝達しない。
【００３１】
上側のプレスプレート４ｂは上下移動が可能となっており、こちらも上側のプレスプレート４ｂ自体の熱をそのまま伝えないように断熱板４ｃを介してシャフト４ｄと接続され、このシャフト４ｄは図示しないシリンダーによってプレスプレート４ｂを上下移動可能としている。このように、プレスプレート４ｂを上下移動可能とすれば、この上側のプレスプレート４ｂを下降させ、下側のプレスプレート４ｂに載置された成形型５０を用いたプレス成形ができる。このときプレスプレート４ｂはプレスを所定の圧力で行えるよう動作し、光学素材に高精度に光学素子形状を付与できる。
【００３２】
本発明の冷却ステージ５は、成形型５０を冷却して光学素子形状が付与された光学素材を冷却し、固化させるため、その内部に、カートリッジヒータ５ａが埋め込まれた上下一対の冷却プレート５ｂから構成される。この冷却プレート５ｂは、上下一対の冷却プレート５ｂを成形型の上型、下型にそれぞれ接触させて、上型及び下型を冷却でき、さらに成形型内部に収容されている光学素材をも冷却できる。
【００３３】
より具体的には、この冷却ステージ５において、下側の冷却プレート５ｂはチャンバー２の底板に、断熱板５ｃ、冷却プレート５ｂがこの順番に積層されて固定されており、下側の冷却プレート５ｂの熱をチャンバー２に伝達しないように構成されている。
【００３４】
上側の冷却プレート５ｂは上下移動が可能となっており、こちらも上側の冷却プレート５ｂ自体の熱をそのまま伝えないように断熱板５ｃを介してシャフト５ｄと接続され、このシャフト５ｄは図示しないシリンダーによって冷却プレート５ｂを上下移動可能としている。このように、冷却プレート５ｂを上下移動可能とすれば、この上側の冷却プレート５ｂの成形型５０の上型への接触・非接触を制御でき、所望のタイミングで成形型５０と光学素材を冷却できる。
【００３５】
なお、ここでの光学素材の固化は、その素材のガラス転移点以下、より好ましくは歪点以下に冷却すればよく、十分に冷却されると光学素材の光学素子形状は安定し、変形が抑制される。ここでの冷却は、光学素子形状を安定して付与するように光学素材が固化する温度まで下げる意味であり、その温度は、プレスプレートよりも５０〜１５０℃程度低いだけで、依然として高温であるため、この冷却プレート５ｂにもその内部にヒータ５ａが埋め込まれている。
【００３６】
上記説明したとおり、各ステージの上側の加熱プレート３ｂ、プレスプレート４ｂ及び冷却プレート５ｂは断熱板を介してシャフトに固定されており、このシャフトがシリンダーに接続されている。ここでシリンダーは、各プレートの上下動を可能とできればよく、例えば、エアシリンダー、電動サーボシリンダー、油圧シリンダー、電動油圧シリンダー等のシリンダーが挙げられる。
【００３７】
上記した、加熱プレート３ｂ、プレスプレート４ｂ、冷却プレート５ｂは、その成形型との接触面が水平面となっており、特に、プレスプレート４ｂにおいては、プレスプレート４ｂの成形型との接触面が傾いていた場合、成形型５０の上型及び下型の中心軸が一致しなくなり、このとき製造される光学素子が、その光軸が一致せず不良品となってしまう場合がある。したがって、これら各ステージにおけるプレートの平行度や平面度の管理は厳密に行われる。
【００３８】
これらの各ステージにおける、プレートはステンレス、超硬合金、合金鋼等の素材の内部にカートリッジヒータを挿入し、固定し、カートリッジヒータの加熱によりプレートの温度を上昇させ、所望の温度に維持する。
【００３９】
なお、各ステージのプレートの成形型の搭載面表面には、プレート温度をなるべく均質化するために、均熱板を設けてもよい。均熱板は、超硬合金、ステンレス等の公知の耐熱性があり、硬度が高く熱伝導が良い材料で構成できる。さらに、均熱板表面に酸化防止膜のコーティングを施すことが好ましく、このコーティングとしては、具体的にはＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮなどのコーティング処理が挙げられる。
【００４０】
また、各ステージの断熱板３ｃ，４ｃ，５ｃは、セラミックス、ステンレス、ダイス鋼、ハイス鋼等の公知の断熱板を用いればよく、硬度が高くプレス成形時の圧力等によっても変形しにくく、ずれを生じるおそれが少ないセラミックスが好ましい。
【００４１】
さらに、本発明においては、冷却プレート５ｂの成形型５０の搭載面が、その表面粗さがＲｚで７μｍ以上であるか又は搭載される成形型５０との接触面積を低減する凹凸形状を設けて、成形型５０と冷却プレート５ｂ間の接触熱伝達係数を低減させた点に特徴がある。このような表面形状により、冷却プレート５ｂから成形型５０への熱移動量を低減して熱的影響を受け難くして、プレートから成形型、ひいては光学素子まで移動する熱量の差による温度分布を改善できる。この形状とすると、プレス後の冷却時に、光学素子の表面の温度分布を改善して、表面形状の不良の発生を抑制できる。また、上記の形状とすれば、温度の伝達も緩やかになり、成形型及び光学素材の急激な温度変化を抑制し、この点でも光学素子の形状安定性を向上できる。
【００４２】
冷却プレート５ｂの表面粗さを調整するには、冷却プレート５ｂの表面をサンドブラスト処理、薬品処理（例えば、フェリシアン化カリウムを含む代表的なエッチング液である村上試薬、強酸等）、プラズマアッシング処理等の公知の粗化処理を施せばよい。このとき、表面粗さをＲｚで７μｍ以上とすればよく、１０μｍ〜５００μｍが好ましく、５０μｍ〜２００μｍがより好ましい。なお、本明細書において「表面粗さ」とは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２００１におけるＲｚのことである。なお、本明細書の上記説明においては、プレートの成形型搭載面で一様な粗さを想定しているが、プレート表面の熱分布が高温の方が低温に比べて表面粗さが粗いといった粗さの分布があるように処理しても効果的である。
【００４３】
また、冷却プレート５ｂの表面に凹凸形状を設けるには、機械加工やエッチング加工等により成形型５０との接触面積を低減できればよく、例えば、成形型との接触面に穴や溝を形成すればよい。このとき、穴部や溝部は成形型と接触しないため、有効に接触面積を低減できる。穴や溝の形状は特に限定されないが、例えば、図２Ａ〜Ｂに示したような格子状に溝を設けた形状が挙げられる。格子状に溝を設けた場合には、成形型との接触部分が平面的に均等に配置されているため、成形型を載置したときの安定性が確保され好ましい。
【００４４】
格子状の溝を設ける際、例えば、溝の幅を２ｍｍ、溝のピッチを３ｍｍ（溝同士の間は１ｍｍ）とすると、搭載面が鏡面であった場合に対して、接触面積が１／９まで低減できる。溝の幅やピッチ、溝の設け方により、上記接触面積は調整でき、接触面積は１／５以下が好ましく、１／８以下がより好ましい。ただし、接触面積を低減させすぎると、載置された成形型の安定性が損なわれたり、タクトタイム内での冷却が完了しなかったりするため、その接触面積は１／１００以上が好ましい。なお、溝の深さは０．０１〜１ｍｍが好ましい。溝の深さが浅すぎるとゴミ等の異物が溝に入り溝をふさぐ可能性があり、溝の深さが深すぎると溝加工に手間がかかるためである。
【００４５】
なお、冷却プレート５ｂとして、その成形型の搭載面に温度分布を抑制するために均熱板を設けることがよくあるが、このときには、均熱板の表面を上記の表面粗さとするか、凹凸形状を設ければよい。本発明においては、このような冷却プレートの成形型搭載面の形状に特徴を有するが、従来は、この搭載面は熱伝達を効率的に、十分行うために、表面粗さがＲｚで０．０２μｍ程度で、かつ、平坦な、滑らかな形状である。なお、本発明における他のステージのプレート表面は、加熱や温度維持を円滑に行うため滑らかな形状であり、冷却プレート５ｂは、他のステージのプレート表面よりも表面粗さが粗くなっている。
【００４６】
さらに、上記の表面形状として、冷却プレート５ｂの成形型５０の搭載面と成形型５０との接触熱伝達係数は３０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）以下が好ましい。この接触熱伝達係数は、成形型５０と冷却プレート５ｂとの接触面によって変化する。
【００４７】
なお、図３に、下型と冷却プレートの均熱板との接触熱伝達係数の変化により、冷却プレート５ｂ上での光学素子の下面温度（下型と光学素子との接触面の温度）がどのような分布となるかについて、シミュレーションして得られた結果を示した。このとき想定した成形条件は、プレスプレート４ｂが６３０℃、冷却プレート５ｂが５１０℃で、使用する部材としては、冷却プレート５ｂとして、ステンレス製のプレート本体の成形型搭載面に超硬合金製の均熱板を設け、成形型として超硬合金製の成形型で上型との接触面が曲率半径１０ｍｍ、下型との接触面が曲率半径２２ｍｍの曲面を有する光学素子を製造する場合を想定した。
シミュレーションは、成形型に熱電対を設置し、表面粗さを粗くしていない通常の均熱板で温度を実測した結果と計算結果が合致するように接触熱伝達係数を求めた後に、接触熱伝達係数を小さくした場合の温度分布を熱シミュレーションソフトを用いて計算した。なお、光学素子の断面形状とその温度の測定位置について図４に具体的に示した。このとき、光学素子の断面形状は、成形型の搬送方向と平行に切断したものとし、その温度の測定位置は、光学素子の中心を起点（０）とし、取り出し口側をプラスとし、＋４ｍｍ、＋１０ｍｍ、取り入れ口側をマイナスとし、−４ｍｍ、−１０ｍｍの位置とした。
【００４８】
接触熱伝達係数が１００００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）は、通常の均熱板の場合であり（超硬合金、ステンレス共にほぼ同じ）、表面粗さはＲｚで０．０２μｍである。上記のとおり実測値と計算が合致するように接触熱伝達係数を設定したものである。さらに、この接触熱伝達係数が６０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）、４０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）、３０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）、１０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）、１００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）と低下した場合の光学素子の下面温度について計算し、図３にはその計算結果をまとめて示している。図３からわかるように、接触熱伝達係数が６０００〜４０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）では、１００００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）とそれほど変わらないが、３０００〜１０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）となると光学素子表面の位置による温度分布が改善されることがわかった。温度分布は接触熱伝達係数を小さくしていくと改善されるが顕著な効果が認められるのは３０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）以下であった。
【００４９】
上記例示した、図２Ａ及びＢの溝形状のものは、成形型の搭載面が平面（鏡面）である場合に対して１／９の接触面積となるので、その接触熱伝達係数は、おおよそ１０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）程度となり、顕著な効果が認められる３０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）以下であり、接触熱伝達係数を十分に低下できる。また、表面粗さＲｚは粗くなるほど接触熱伝達係数が低下し、超硬合金製の場合、Ｒｚが７μｍのとき接触熱伝達係数が約３０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）となり、ステンレス製でもほぼ同等の数値、傾向である。ただし、荷重をかけた場合には接触熱伝達係数が大きくなり、その変化度合いは超硬合金よりもステンレスのほうが大きい。荷重を加味すると、表面粗さＲｚは１０μｍ以上であることが好ましい。
【００５０】
以上説明した加熱ステージ３、プレスステージ４、冷却ステージ５は、それぞれ所定の処理が行われる場（ステージ）を形成し、各ステージによる処理を順次円滑に行えるように、成形型５０は、搬送手段（図示せず）により所定のタイミングで各ステージに移送し搭載されるように制御手段によって制御されている。
【００５１】
より具体的には、加熱プレート３ｂ、プレスプレート４ｂ、冷却プレート５ｂによる処理は、成形型５０を順次上記の順序で各プレート上へと搬送移動させながら所定の処理を行う。そして、成形型５０が次のステージに移動すると、処理の終わったステージは空くため、さらに、そこに別の光学素材を収容した成形型５０を搬送し、複数個の光学素子の成形操作を連続的に行うのが効率的である。
【００５２】
この処理を行うための上記搬送手段は、図示していないが、例えば、ロボットアーム等が挙げられ、これにより、成形型載置台８から加熱プレート３ｂへ、加熱プレート３ｂからプレスプレート４ｂへ、プレスプレート４ｂから冷却プレート５ｂへ、冷却プレート５ｂから成形型載置台９へ、と移動させる。
【００５３】
なお、この制御手段は、成形型の移動、加熱・プレス・冷却の各ステージにおける上下一対のプレートの温度や、上下移動のタイミング等も制御し、一連の成形操作を円滑に、かつ、連続的に行うように制御している。このとき、取入れシャッター及び取出しシャッターの開閉も制御する。さらに、チャンバー２内の雰囲気が不活性ガスで満たされるように窒素の供給量やタイミング等を制御するのが好ましい。
【００５４】
すなわち、この光学素子の成形装置１は、１以上のポジションで温度の上げ下げを行いながら所定の処理を行う、成形型の搬送による光学素子の成形装置である。
【００５５】
次に、この光学素子の成形装置１を用いた光学素子の成形方法について説明する。
【００５６】
まず、取入れ口側の成形型載置台８に成形型５０を載置し、この成形型５０の内部に光学素材を収容する。取入れシャッター６を開けて取入れ口を開口させ、この成形型５０を搬送手段により加熱プレート３ｂ上に搬送する。搬送されると、成形型５０の下型は下側の加熱プレート３ｂに接触するため加熱プレート３ｂと同じ温度まで昇温される。これと同時に、上型には上方向から上側の加熱プレート３ｂを接触させて同様に加熱する。
【００５７】
このように上型及び下型が加熱されると、その内部に収容されている光学素材も加熱され、この光学素材は屈伏点以上に加熱されると変形が容易となる。一般に、加熱温度は、軟化点まで温度を上げるとレンズ表面が白濁するので屈伏点（Ａｔ）から軟化点の間の温度に設定する。このとき、昇温速度は０．５〜２．５℃／ｓｅｃ程度が好ましい。
【００５８】
このようにして加熱ステージ３で十分に加熱された成形型５０及び光学素材は、搬送手段により、下側のプレスプレート４ｂ上に搬送され載置される。
【００５９】
プレスプレート４ｂも加熱プレート３ｂと同程度の温度に加熱されており、光学素材を軟化状態に維持する。さらに、上側のプレスプレート４ｂを下降させてプレスプレート４ｂ間の距離を狭め、上型と下型との距離をも狭めて、成形型５０の内部に収容された光学素材に圧力をかけ、光学素材を変形させる。
【００６０】
このプレス工程では、上記したように成形型５０の上下から圧力をかけて光学素材のプレス成形を行い、これにより光学素材には上型及び下型の光学形成面が転写され、光学素子形状が付与される。
【００６１】
また、このプレス工程におけるプレスは、加熱温度が前段の加熱ステージで加熱した温度と同程度の温度であり、プレス時の圧力はレンズ成形体の単位面積当たり２．５〜３７．５Ｎ／ｍｍ２が好ましく、さらには１０〜２０Ｎ／ｍｍ２が特に好ましい。
【００６２】
そして、このようなプレス工程を経て、押切りが完了した成形型５０は、搬送手段によりプレスプレート４ｂから冷却プレート５ｂへと搬送される。
【００６３】
次に、冷却プレート５ｂにより成形型５０を冷却するが、これは、上記加熱工程と同様に、下型は下側の冷却プレート５ｂと接触させ、上型は上側の冷却プレート５ｂを下降させ接触させて冷却する。これにより光学素材を冷却して、固化させる。この冷却は、光学素材のガラス転移点（Ｔｇ）以下の温度にまで冷却させるのが好ましく、光学素材の歪点以下の温度にまで冷却させるのがより好ましい。このとき、降温速度は０．１〜２．５℃／ｓｅｃが好ましく、さらに好ましくは０．５〜１．０℃／ｓｅｃである。
【００６４】
なお、上記した加熱工程及び冷却工程は、それぞれ段階的に温度を変化させ緩やかに上昇又は降温させるのが好ましく、この場合、加熱工程として１以上の加熱ステージを設け、段階的に光学素材の温度を上昇させて、プレスステージの直前の加熱ステージにおいて、成形温度とする。また、冷却工程においても１以上の冷却ステージを設け、段階的に光学素材の温度を下降させて、２００℃以下の温度にまで冷却するのが好ましい。このように、段階的に加熱及び冷却をすると、光学素材の急激な温度変化を抑制し、歪が生じたり、面ワレ等が生じたりする等の光学素子の特性を悪化させないようにできる。ここで面ワレとは、光学素子が成形型から離型する際に、一部だけが先に離型し、その後に残りが離型した場合に、曲率が不連続な光学面が形成されて非球面形状精度が悪化する不良を生じる離型異常のことをいう。
【００６５】
このような、加熱工程及び冷却工程を実施するために、それぞれ複数の加熱ステージ及び冷却ステージを有する光学素子の成形装置の一例を図５に示した。この図５に示した光学素子の成形装置１１は、チャンバー１２、第１の加熱ステージ１３、第２の加熱ステージ１４、第３の加熱ステージ１５、プレス成形ステージ１６、第１の冷却ステージ１７、第２の冷却ステージ１８、第３の冷却ステージ１９を有する装置構成となっており、チャンバー１２には光学素子の成形装置１と同様に、成形型５０の取入れ口とそれを開閉可能とする取入れシャッター２０、取出し口とそれを開閉可能とする取出しシャッター２１、それら取入れ口及び取出し口の外側には成形型載置台２２及び２３が設けられている。
【００６６】
この光学素子の成形装置１１は、加熱ステージを３つ、冷却ステージを３つ設けて、段階的に加熱及び冷却を可能とした以外は、図１の光学素子の成形装置１の構成と同様である。
【００６７】
例えば、第１の加熱ステージ１３では、光学素材をガラス転移点以下、２００〜４００℃程度低い温度に一旦加熱する予備加熱を行い、第２の加熱ステージ１４ではガラス転移点付近の温度にまで、第３の加熱ステージ１５では屈伏点＋１０〜３０℃の温度にまで加熱する。また、プレスステージ１６では成形温度を維持しながら、成形型による成形操作により光学素子形状を付与し、第１の冷却ステージ１７では光学素材のガラス転移点＋２０℃程度まで冷却し、第２の冷却ステージ１８では、さらに歪点以下にまで冷却し、第３の冷却ステージ１９では、成形型が酸化されない２００℃以下の温度にまで冷却すればよい。
【００６８】
ここで、第３の冷却ステージは、用いるプレートを、他のステージにおけるヒータの代わりに冷却水が循環するように配管１９ａを設けた水冷プレートとすると、効率的に冷却できる。
【００６９】
この光学素子の成形装置１１において、そのプレート間の温度差が大きくなると、隣接するプレートから受ける影響が大きくなり、光学素子の一部の冷却が遅くなってしまう場合がある。このように冷却が不均一になると、その冷却速度の差から光学素子内部に歪が生じたり、離型がうまくできなくなったりして、得られる光学素子の特性に悪影響を及ぼす。特に、第２の冷却プレート１８ｂでは、隣接する第３の冷却プレート１９ｂが水冷のため影響が大きい。また、第１の冷却プレート１７ｂも、プレスプレート１６ｂが高温であるため光学素子の形状精度に悪影響を及ぼす可能性がある。そのため第１、第２、第３の各冷却ステージにおいて、冷却プレートの成形型搭載面を、上記説明した表面粗さとするか又は凹凸形状を設けるのが好ましい。
【００７０】
上記のように冷却して得られた光学素子は、その後、光学素子形状とするために、余肉部を芯取り加工して光学素子形状としたり、アニール工程に付して歪みを除去したりする等の後処理を施して最終的な製品とされる。
【００７１】
このように、成形型搭載面として特定の表面状態である冷却プレートを設け、隣接するプレート温度や周囲の環境に影響されて生じる温度差を小さくでき、プレート内での温度分布を改善できる。
【００７２】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
この実施形態は、第１の実施形態において、冷却プレートの成形型搭載面が粗面化されておらず、凹凸形状も設けていない平坦な、従来使用されているタイプの光学素子の成形装置を使用し、成形型としては以下に説明する形状の成形型とする点に特徴を有する。
【００７３】
すなわち、光学素子の成形装置としては、上型と下型の間に光学素材が置かれた成形型を、チャンバー内に設けた加熱、プレス及び冷却の各ステージへ順次搬送して光学素子を成形する光学素子の成形装置を使用する。その基本構成は、図１や図５に示した光学素子の成形装置と同様であり、冷却プレート５ｂ（１７ｂ〜１９ｂ）の成形型搭載面がＲｚでいうと０．０２μｍ程度の平坦で滑らかな平面である点のみ異なる装置である。
【００７４】
そして、この実施形態で使用する成形型は、基本的には従来使用される成形型と、その基本構成は同じである。すなわち、上型、下型及び胴型を有してなり、唯一特徴的な形状として、上型及び下型の冷却プレートとの接触面が、表面粗さがＲｚで７μｍ以上であるか又は前記冷却プレートとの接触面積を低減するための凹凸形状を設けて、成形型と冷却プレート間の接触熱伝達係数を低減させた成形型である。
【００７５】
すなわち、第１の実施形態は、従来の光学素子の成形において、成形装置の冷却プレートを加工したものであるが、本実施形態は、従来の光学素子の成形において、成形型を加工したものである。いずれも、成形型と冷却プレートの接触状態を調整して、接触熱伝達係数を低減させるものであり、同一の技術思想に基づいてなされている。
【００７６】
なお、加工の手間や安定性が低下する場合も考えられるが、成形型の冷却プレートとの接触面、冷却プレートの成形型搭載面の両面に加工を施して、接触熱伝達係数を所定の範囲とする態様も可能である。
【実施例】
【００７７】
以下、本発明を実施例（例１）及び比較例（例２）によりさらに詳細に説明する。
【００７８】
（例１）
図５の光学素子の成形装置１１と構造は同じであるが、第３の加熱プレートを第３の加熱＋プレスを併せて行うプレスプレートとし、プレスプレートを第１の冷却プレートとし、第１〜第３の冷却プレートをそれぞれ第２〜第４の冷却プレートとした成形装置を用いて、光学素子の成形を以下の通り行った。
ここで用いた光学素子の成形装置は、加熱プレート、プレスプレート及び冷却プレートとして、ステンレス製の１００×７８×１８ｍｍの直方体で内部に５００Ｗのカートリッジヒータを３本有するプレートを用い、断熱板として、ＳＵＳ３０４製の１００×７８×９ｍｍの板状体とジルコニア製の１００×７８×９ｍｍの板状体を重ね合わせたものを用い、各プレートの成形型の搭載面表面には均熱板としてタングステンカーバイドからなる超硬合金製の１００×７８×５ｍｍの板を設けた。
【００７９】
また、上側のプレートを上下移動させるシリンダーは、エアシリンダーを用い、シャフト径４０ｍｍのシャフトが上側のプレートと接続、固定されている。チャンバーはＳＳ４００製の４４０×５９２×２４０ｍｍの箱状で、このチャンバーの下板としては４４０×５９２×２０ｍｍのものを用いた。
【００８０】
第１〜第３の冷却プレートには図２に示す接触面積を１／９にした均熱板を用いた。
【００８１】
また、成形型５０は、上型、下型並びに内胴及び外胴を有する胴型で構成され、上型、下型及び内胴はタングステンカーバイドからなる超硬合金製で、外胴はＳＵＳからなり、プレス成形により、直径φ３０ｍｍ、中心厚さ１．３ｍｍ、周辺厚さ８ｍｍ、非球面の近似曲率半径がそれぞれ１２００ｍｍと１５ｍｍの両凹の凹メニスカス形状の成形品が得られ、後加工の芯取り加工をして直径２７ｍｍの光学素子が得られるものを用いた。
【００８２】
まず、上記した成形型５０の下型の成形面にホウ酸ランタンガラスからなる研削研磨により作製した直径φ  ２８ｍｍ、中心厚み  ３．９３ｍｍ、周辺厚さ７．７５ｍｍ、曲率半径が凸側５００ｍｍ凹側２０ｍｍの凹メニスカス球面レンズの光学素材を載置した。なお、この光学素材の歪点は５８０℃、ガラス転移点（Ｔｇ）は６１６℃、屈伏点（Ａｔ）は６６２℃である。
【００８３】
光学素材を収容した成形型を、搬送手段により第１の加熱プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第１の加熱プレートを下降させて上型に接触させ、成形型及び光学素材を２１０秒間加熱し、次いで、第２の加熱プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第２の加熱プレートを下降させて上型に接触させ、成形型及び光学素材を２１０秒間加熱し、さらに、プレスプレート上に搬送し載置すると同時に上型のプレスプレートを下降させて上型に接触させ、成形型及び光学素材を加熱して光学素材を軟化状態としつつプレス成形した。この成形時のプレス圧力は１０Ｎ／ｍｍ２、プレス時間は２１０秒とした。なお、第１の加熱プレートは６００℃、第２の加熱プレートは６５０℃、第３の加熱プレートは７００℃に設定した。
【００８４】
プレス後、成形型を第１の冷却プレート上に搬送し載置すると同時に上側の冷却プレートを下降させて上型に接触させ、２１０秒間冷却し、次いで、成形型を第２の冷却プレート上に搬送し裁置すると同時に上側の第２の冷却プレートを下降させて上型に接触させ、２１０秒間冷却し、さらに、成形型を第３の冷却プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第３の冷却プレートを下降させて上型に接触させ、２１０秒間冷却し、最後に第４の冷却プレート上に搬送し載置すると同時に上側の第４の冷却プレートを下降させて上型に接触させ、２１０秒間冷却した。このとき、第１の冷却プレートは６３０℃、第２の冷却プレートは６１０℃、第３の冷却プレートは５８０℃、第４の冷却プレートは２０℃（冷却水温度）に設定した。
【００８５】
光学素材を室温になるまで冷却し、十分に冷却したところで、成形型から取り出し、光学素子を得た。
【００８６】
（例２）
第１〜３の冷却プレートにおいて、接触面積を１／９にした均熱板を設けなかった以外は例１と同一の操作により光学素子を得た。
【００８７】
図６に例１の場合の成形型温度の実測データ、図７に例２の成形型温度の実測データを示す。
図６と図７から、接触面積を１／９にしたステンレス製の均熱板を用いるとポジション移動直後の成形型温度の急激な変化が無くなり徐々に温度が低下するのに対して、従来の均熱板（超硬合金製）では、ポジション移動直後に急激に温度が変化することがわかる。なお、このときの成形型と冷却プレートとの接触熱伝達係数は、例１では１１１１Ｗ／（ｍ２・Ｋ）、例２では１００００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）である。
急激な温度変化があると得られる光学素子に面割れが発生する確率が高くなる。
例１と例２の連続１００ショットした場合の面割れ発生率は例１ではゼロ％だったが、例２では１０％であった。
同様に面割れ以外の形状不良の発生率は例１ではゼロ％、例２では１０％であった。
なお、上記実測データは、上型と下型の底部中心付近に穴をあけ、熱電対を差し込んで測定した。熱電対の線はチャンバーの外に引出ておき、成形型セットの移動の妨げにならないようにした。
【００８８】
以上に示したように、本発明の光学素子の成形装置及び成形方法により、光学素子の製造における成形型の温度を不安定にする要因を排除し、成形型内の温度分布と急激な温度変化を抑制して光学素子形状を安定化し、歩留まりを向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明の光学素子の成形装置は、成形型を順次移動させながらプレス成形により連続的に光学素子を製造する際に用いられる。
【符号の説明】
【００９０】
１…光学素子の成形装置、２…チャンバー、３…加熱ステージ、４…プレスステージ、５…冷却ステージ、６…取入れシャッター、７…取出しシャッター、８，９…成形型載置台、５０…成形型、３ａ，４ａ，５ａ…ヒータ、３ｂ…加熱プレート、４ｂ…プレスプレート、５ｂ…冷却プレート、３ｃ，４ｃ，５ｃ…断熱板、３ｄ，４ｄ，５ｄ…シャフト
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【図７】
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