JP2005231933A - 光学素子用成形金型および光学素子の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 成形時の高温下での成形型と胴型のクリアランスを小さくして、光学素子の光軸のズレを小さくするとともに、成形の前後における成形型と胴型の間に、摺動に必要な最小クリアランスを確保することを可能とする。
【解決手段】 一対の成形型１、２と、成形型が挿入される胴型３と、成形型の間に配置された光学素子素材４とを加熱しながら、成形型の一方を胴型内を摺動させて光学素子素材に押圧力を加えることにより、成形型内面に加工された光学有効面を光学素子素材に転写するための光学素子用成形金型。一対の成形型のうち、成形時に胴型内を摺動させる摺動成形型１の素材の熱膨張率をα１とし、成形時に胴型内摺動させず、押圧力を光学素子素材を介して受ける非摺動成形型２の素材の熱膨張率をα２とし、胴型３の素材の熱膨張率をα３とするとき、α２＞α１≧α３の関係となるように、各素材の熱膨張率を設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学機器に使用される光学素子を精密ガラス成形法により成形するための光学素子用成形金型、およびその成形金型を用いた光学素子の成形方法に関する。

近年、光学素子を研磨工程なしの一発成形により成形する試みが多くなされている。ガラス素材を溶融状態から型に流し込み加圧成形する方法が最も能率的であるが、冷却時のガラス収縮を制御することが難しく、精密な光学素子成形には適さない。従って一定の形状に予備加工された光学素子素材を上下型間に供給し、加熱し、押圧成形するのが一般的な成形方法である。（例えば、特許文献１参照）。

そのような従来の成形方法について、図２を参照して説明する。図２は、光学素子素材を押圧成形して、光学面が形成された状態における、成形型と光学素子の断面を示す。１１、１２は一対の成形型であり、成形装置のプレスヘッド１５、１６に取り付けられている。一対の成形型１１、１２は、胴型１３内に装着されている。一対の成形型１１、１２、および胴型１３により形成された空間内で、光学素子１４が成形されている。押圧して光学素子１４に成形される前の光学素子素材は、適当な加熱手段を用いて均一にガラスの軟化点近傍の温度まで加熱された後、成形型１１、１２の成形面により押圧成形される。胴型１３は、成形後の芯取り工程をなくすために用いられ、同時に胴型１３によって、成形型１１、１２により形成される二つの光学面の光軸が位置合わせされる。
特開昭５８−８４１３４号公報

しかしながら上記のような方法では、超精密な非球面光学素子を成形するためには、次のような困難が生じる。すなわち、非球面光学素子では、一般に芯取りが困難であるため胴型を用いた一発成形が必要である。しかも、例えば光ピックアップに用いられるような超精密非球面光学素子においては、二つの光学面の光軸ズレが１０μｍ以下というような高精度が必要である。

一方、一対の成形型と胴型の嵌合の面からは、クリアランスが１０μｍという精度の加工が困難になっていく。さらに、高温状態で成形しなければならないので、長期的に精度を維持することは難しい。また成形型および胴型の素材が同じであれば、常温時および高温時において熱膨張率変動が同じであるため、加工寸法差のクリアランスが保たれる。従って胴型内径と成形型外径の加工精度が光軸ズレに反映され、その結果、光学性能に影響する。

本発明は、成形時の高温下での成形型と胴型のクリアランスを小さくし、光学素子の光軸のズレを小さくするとともに、成形の前後における成形型と胴型の間に、摺動に必要な最小クリアランスを確保することが可能な光学素子用成形金型を提供することを目的とする。

本発明の光学素子用成形金型は、一対の成形型と、前記成形型が挿入される胴型と、前記成形型の間に配置された光学素子素材とを加熱しながら、前記成形型の一方を前記胴型内を摺動させてその成形型により前記光学素子素材に押圧力を加えることにより、前記成形型内面に加工された光学有効面を前記光学素子素材に転写して光学素子を作製するための成形金型である。前記一対の成形型のうち、成形時に前記胴型内を摺動させる摺動成形型の素材の熱膨張率をα１とし、成形時に前記胴型内摺動させず、押圧力を前記摺動成形型と前記光学素子素材を介して受ける非摺動成形型の素材の熱膨張率をα２とし、前記胴型の素材の熱膨張率をα３とするとき、α２＞α１≧α３の関係となるように、各素材の熱膨張率が設定されていることを特徴とする。

本発明の光学素子の成形方法によれば、一対の成形型と、前記成形型が挿入される胴型と、前記成形型の間に配置された光学素子素材とを加熱しながら、前記成形型の一方を前記胴型内を摺動させてその成形型により前記光学素子素材に押圧力を加えることにより、前記成形型内面に加工された光学有効面を前記光学素子素材に転写して光学素子を作製する。そして、前記一対の成形型のうち、成形時に前記胴型内を摺動させる摺動成形型の素材の熱膨張率をα１とし、成形時に前記胴型内摺動させず、押圧力を前記摺動成形型と前記光学素子素材を介して受ける非摺動成形型の素材の熱膨張率をα２とし、前記胴型の素材の熱膨張率をα３とするとき、α２＞α１≧α３の関係となるように各素材の熱膨張率が設定された成形型を用いることを特徴とする。

上記構成の光学素子用成形金型を用いることにより、成形型の熱膨張率を胴型の熱膨張率より大きく設定することで、成形時の高温下での成形型と胴型のクリアランスを小さくして、光学素子の光軸のズレを小さくすることができる。しかも摺動成形型は非摺動成形型より熱膨張率の小さい素材を用いることで、摺動に必要な最小クリアランスを確保できる。

本発明の光学素子用成形金型において、前記各成形型は、タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする素材を用いて形成され、前記タングステンカーバイト（ＷＣ）のバインダー含有率が、摺動成形型＞非摺動成形型＞胴型の関係とすることができる。それにより、熱膨張率を容易に調整することが可能である。

本発明の光学素子の成形方法において、好ましくは、成形する高温時での前記胴型と前記非摺動成形型のクリアランスが実質的に０になるように、前記熱膨張率α１およびα３の関係を設定する。それにより、さらに光軸のズレを小さくすることができる。また、予熱工程、押圧工程、および冷却工程を実施するための成形装置により、前記一対の成形型および前記胴型を用いて前記光学素子素材を成形することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１を参照しながら具体的に説明する。図１は、成形装置のプレスヘッドに成形型を固定せずに成形する場合の、成形前の状態を示す断面図である。成形装置のプレスヘッド５，６には、図示しないが、加熱部が備わっている。非摺動成形型２上に、胴型３および摺動成形型１が挿入されたものが、プレスヘッド６上に載置されている。非摺動成形型２と摺動成形型１の間には、光学素子素材４がセットされている。非摺動成形型２、摺動成形型１、胴型３および光学素子素材４を、プレスヘッド６で約６００℃に昇温させ、プレスヘッド５が下降し摺動成形型１を押圧する。押圧された光学素子素材４が変形し、光学素子が成形される。

非摺動成形型２および摺動成形型１における胴型３内に挿入される嵌合部１ａ、２ａの外径を６．０００mm、胴型３の内径を６．００８ｍｍとする。すなわち常温時の非摺動成形型２および摺動成形型１と胴型３の嵌合部のクリアランスが各々８μｍであり、最大１６μｍ以内の光軸ズレが発生する。摺動成形型１、非摺動成形型２および胴型３の素材として、例えば炭化タングステン材を用いる。非摺動成形型２は、バインダ−含有率を１２％とし、熱膨張率α２は６．９８×１０^-6／℃となる。摺動成形型１は、バインダ−含有率を７％とし、熱膨張率α１は６．２３×１０^-6／℃となり、非摺動成形型２より小さい。胴型３は、バインダ−含有率を５％とし、熱膨張率α３は５．０７×１０^-6／℃となり、成形型１、２よりも小さい素材である。

これらを約６００℃に加熱する成形温度時には、摺動成形型１と胴型３とのクリアランスは４μｍ、非摺動成形型２と胴型３とのクリアランスは１μｍと小さくなる。従って、摺動成形型１と非摺動成形型２の光学面の最大光軸ズレ量が５μｍ以内となり、常温時のクリアランス１１μｍより小さくなる。

さらに、非摺動成形型２の外径を６．００１ｍｍにすれば、成形温度での嵌合部のクリアランスが実質的に０となる。従って摺動成形型１のクリアランスの４μｍのみとなり、光軸ズレは最大でも４μｍ以内と小さくなる。

胴型３と摺動成形型１のクリアランスを小さくすればさらに光軸ズレが小さくなるが、胴型２および成形型の機械加工精度、成形温度安定性等々考慮すると、成形時の高温下で安定した摺動を可能とするためには、クリアランスが４μｍ程度必要である。

また一般に熱膨張率は温度によって変化するので、成形温度に応じて実際の膨張度合いを見積もる必要がある。この場合は、成形型の外形寸法と組み合わせて微調を行うことが望ましい。

また熱膨張率の差が大きい素材を用いれば、成形型外径、特に胴型の内径加工精度を緩くすることができる。さらに、成形型の外径寸法を個々に変えずにクリアランスを小さくすることも可能で、加工が容易となる。また常温時にはクリアランスが大きいため、胴型内への成形型の挿入が容易となることから、成形型の自動分解、組み立て装置等の精度に対する要求を緩くできる効果も得られる。

本発明の光学素子用成形金型によれば、成形時の高温下での成形型と胴型のクリアランスを小さくして、光学素子の光軸のズレを小さくするとともに、成形の前後における成形型と胴型の間に、摺動に必要な最小クリアランスを確保することができる。従って、高精度の光学素子を容易に作製でき、光ピックアップに用いられる超精密非球面光学素子等の製造に有用である。

本発明における成形金型と成形方法の成形前の状態を示す断面図 本発明および従来例における光学素子の成形状態を示す断面図

符号の説明

１ 摺動成形型
２ 非摺動成形型
３，１３ 胴型
４ 光学素子素材
５，６，１５，１６ プレスヘッド
１１，１２ 成形型
１４ 光学素子素材

Claims (5)

1. 一対の成形型と、前記成形型が挿入される胴型と、前記成形型の間に配置された光学素子素材とを加熱しながら、前記成形型の一方を前記胴型内を摺動させてその成形型により前記光学素子素材に押圧力を加えることにより、前記成形型内面に加工された光学有効面を前記光学素子素材に転写して光学素子を作製するための光学素子用成形金型において、
   前記一対の成形型のうち、成形時に前記胴型内を摺動させる摺動成形型の素材の熱膨張率をα１とし、成形時に前記胴型内摺動させず、押圧力を前記摺動成形型と前記光学素子素材を介して受ける非摺動成形型の素材の熱膨張率をα２とし、前記胴型の素材の熱膨張率をα３とするとき、
   α２＞α１≧α３の関係となるように、各素材の熱膨張率が設定されていることを特徴とする光学素子用成形金型。
2. 前記各成形型は、タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする素材を用いて形成され、前記タングステンカーバイト（ＷＣ）のバインダー含有率が、摺動成形型＞非摺動成形型＞胴型の関係である請求項１記載の光学素子用成形金型。
3. 一対の成形型と、前記成形型が挿入される胴型と、前記成形型の間に配置された光学素子素材とを加熱しながら、前記成形型の一方を前記胴型内を摺動させてその成形型により前記光学素子素材に押圧力を加えることにより、前記成形型内面に加工された光学有効面を前記光学素子素材に転写して光学素子を作製する光学素子の成形方法において、
   前記一対の成形型のうち、成形時に前記胴型内を摺動させる摺動成形型の素材の熱膨張率をα１とし、成形時に前記胴型内摺動させず、押圧力を前記摺動成形型と前記光学素子素材を介して受ける非摺動成形型の素材の熱膨張率をα２とし、前記胴型の素材の熱膨張率をα３とするとき、
   α２＞α１≧α３の関係となるように各素材の熱膨張率が設定された成形型を用いることを特徴とする光学素子の成形方法。
4. 成形する高温時での前記胴型と前記非摺動成形型のクリアランスが実質的に０になるように、前記熱膨張率α１およびα３の関係を設定する請求項３記載の光学素子の成形方法。
5. 予熱工程、押圧工程、および冷却工程を実施するための成形装置により、前記一対の成形型および前記胴型を用いて前記光学素子素材を成形する請求項３記載の光学素子の成形方法。
   
   

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