JP2011136883A - 光学素子の成形装置及び成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、成形素材や成形型の加熱温度を管理することができ、効率良くプレス成形を行うことができる光学素子の成形装置及び成形方法を提供する。
【解決手段】上型１１、下型１２及び胴型１３で構成される成形型と、上型１１及び下型１２の少なくとも一方を上下動する駆動手段２０を備え、成形型内に収容した光学素子成形素材２を軟化温度以上に加熱した後、上型１１及び下型１２により所定形状の光学素子をプレス成形する光学素子の成形装置において、上型１１を直接加熱する上ヒータ２０と、下型１２を直接加熱する下ヒータ２１と、胴型１３を加熱する赤外線ランプヒータ２２と、光学素子成形素材２を加熱するために成形型内に挿脱自在に設けられた成形素材用ヒータ１５と、上ヒータ２０、下ヒータ２１、赤外線ランプヒータ２２及び成形素材用ヒータ１５をそれぞれ個別に温度制御することができる温度制御手段と、を有する光学素子の成形装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子の成形装置及び成形方法に係り、特に、成形型及び成形素材の温度を個別に管理及び制御可能とした光学素子の成形装置及び成形方法に関する。

現在、小型撮像機器や、光ピックアップなどに用いられる光学素子は、光学素子成形素材を加熱軟化させ、この軟化した成形素材に加圧しながら成形型の成形面形状を転写するプレス成形を行い、プレス成形された成形素材を、冷却、固化することで製造されている。

このプレス成形は、例えば、一対の成形型を備えており、これら一対の成形型の一方を相対的に移動させる成形型固定式の装置により行われており、その際に、光学素子成形素材の加熱は、成形型や胴型の周囲に配置した赤外線ランプや成形型を保持するプレス軸の内部に埋め込んだヒータ等により行っている（例えば、特許文献１参照）。

このような成形型と光学素子成形素材を一体的に加熱する方法は、成形型全体を赤外線ランプで囲っており、成形型の温度により光学素子成形素材の温度調整も容易で、管理が簡便にでき、また赤外線ランプによる加熱が比較的温度の均一性にも優れていることから広く行われてきた。

ところで、このプレス成形においては、加熱軟化する対象である光学素子成形素材を効率的に加熱することが有利であるため、光学素子成形素材の加熱効率を向上させたものとして、成形型加熱のための赤外線ランプの他に、成形素材専用の加熱ランプを設けた成形装置が知られている（特許文献２参照）。

また、成形型である上型の内部にヒータを埋め込んで、この上型の成形面を加熱することができるようにして、成形素材のうち成形加工部分となる表面のみを他の部分よりも軟化させ、成形素材全体の熱軟化を抑えてプレス時の流動を防ごうとする成形装置が知られている（特許文献３参照）。この発明は、さらに、その成形素材の表面のみを集中して熱軟化させることで微細なパターンであっても精度よく、かつ確実に形状転写させようとするものである。

特開２００３−２６４３２号公報 特開２００４−１１５２８０号公報 特開２００８−１３７８３５号公報

しかしながら、特許文献１のような成形装置は、光学素子成形素材を成形型と一体に加熱してプレス成形するものであり、成形素材を個別に加熱することができずに、効率的にプレス成形を行うことができない。また、この成形装置は、熱電対で成形型の温度を管理し温度制御可能としているが、ヒータは成形型を保持しているプレス軸に存在するため、実際に制御したい成形素材の温度又は成形型の温度を直接管理することができておらず、温度補正等の考え方を導入しなければならなかった。

さらに、熱電対が設置されている部材と、熱電対が検出した情報をフィードバックする部材と、が異なる部材であるため、成形素材や成形型の温度に変動が生じたときに、ヒータを直ちに温度制御しても、それが成形素材や成形型の温度に反映されるまでにタイムラグが生じる問題があった。

そして、特許文献２のような成形装置は、成形素材の加熱を効率的にしようとするものではあるが、赤外線ランプによる成形型の外周に設けた加熱手段によるものであるため、成形素材を急速に昇温させることができず、成形効率を向上させる点においては未だ十分ではなかった。

また、特許文献３のような成形装置は、上型の内部にヒータを埋め込んでおり、この加熱により成形素材をも軟化する温度にまで加熱しているため、その加熱温度は成形型において最も高くなってしまう。ところが、成形型はその周囲を不活性ガス雰囲気とすることでプレス成形を行ってはいるが、高温になればなるほど、その劣化が早まってしまう問題が懸念される。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、成形素材や成形型の温度を個別に管理することができ、成形素材の温度を軟化状態とするのに十分な温度を与えながら、成形型の温度は劣化を抑制することができるように不必要に加熱しないようにした光学素子の成形装置及びこの成形装置を用いた光学素子の成形方法を提供することを目的とする。

本発明の光学素子の成形装置は、上型、下型及び胴型で構成される成形型と、上型及び胴型の上端を保持する上型保持部材と、下型の下端を保持する下型保持部材と、上型保持部材及び下型保持部材の少なくとも一方を上下動させる駆動手段を備え、成形型内に光学素子成形素材を収容し、該光学素子成形素材を軟化温度以上に加熱した後、上型保持部材及び下型保持部材の少なくとも一方を互いに接近する方向に移動して光学素子成形素材を所定形状の光学素子にプレス成形する光学素子の成形装置において、下型の内部に収容され、下型を直接加熱する下ヒータと、上型の内部に収容され、上型を直接加熱する上ヒータと、胴型の周囲に設けられ、成形型を加熱する赤外線ランプヒータと、成形型に収容された光学素子成形素材を加熱するために成形型内に挿脱自在に設けられた成形素材用ヒータと、前記上型、下型、胴型及び成形素材用ヒータにそれぞれ配設された温度検出手段と、前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記上ヒータ、下ヒータ、赤外線ランプヒータ及び成形素材用ヒータをそれぞれ個別に温度制御する温度制御手段と、を有することを特徴とするものである。

また、本発明の光学素子の製造方法は、本発明の光学素子の成形装置を用いて、成形型上で光学素子成形素材を加熱軟化し、軟化した光学素子成形素材を前記成形型によりプレス成形して光学素子形状を付与し、光学素子形状を付与された光学素子成形素材を冷却固化させる光学素子の製造方法であって、上型、下型及び胴型にそれぞれ配設された温度検出手段の検出結果に基づいて上ヒータ、下ヒータ、赤外線ランプヒータ及び成形素材用ヒータをそれぞれ個別に温度制御することを特徴とするものである。

本発明の光学素子の成形装置及び成形方法によれば、上型、下型及び光学素子成形素材にそれぞれ専用のヒータを設け、これらの加熱温度を個別に制御することで、各要素の温度管理を安定して行うことができるようにし、光学素子の成形を効率良く行うことができる。

さらに、成形型の温度よりも光学素子成形素材の温度を高温とすることで、プレス成形操作を効率良く行うことができるとともに、成形型を不必要に高温状態とならないようにすることで、成形型の劣化を抑えることもできる。したがって、成形型の寿命を延ばすことができ、これにより製造コストを低減することもできる。

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を示す側断面図である。 図１の成形型及び成形素材用ヒータのプレス成形時における動作を示した図である。

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。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を示す側断面図であり、図２は、図１で表わした成形型及び成形素材用ヒータのプレス成形時における動作を示した図である。

まず、本発明の光学素子の成形装置は、光学素子成形素材２をプレス成形する装置であり、この光学素子の成形装置１は、上型１１、下型１２、胴型１３、ストッパ１４、成形素材用ヒータ１５、上断熱部材１６、下断熱部材１７、上軸１８、下軸１９、上ヒータ２０、下ヒータ２１、ランプヒータ２２、調芯機構２３、上フレーム２４、下フレーム２５、ランプヒータ支持部材２６、支柱２７、ベースフレーム２８、駆動機構２９などを備える。

上型１１は、プレス成形により光学素子の上面を成形する。下型１２は、プレス成形により光学素子の下面を成形する。上型１１及び下型１２は、それぞれ円柱状の胴部を基本形状とする部材であり、それぞれ光学素子の成形面とは逆側の面の中心部に上ヒータ２０及び下ヒータ２１を挿入するための孔を有する。

下型１２は、使用時における安定性を向上させるため下型１２の下端にフランジ（鍔）１２ｂを有する。また、上型１１には光学素子の上面を成形する上成形面１１ａが、下型１２には光学素子の下面を成形する下成形面１２ａが成形されている。上型１１及び下型１２は、上成形面１１ａと下成形面１２ａとを対向させて一組の成形型として使用される。

上型１１は、上断熱部材１６を介して上軸１８に取り付けられ保持されている。上軸１８は、上フレーム２４に取り付けられた固定軸である。上断熱部材１６及び上軸１８は、各々の中心部に、上ヒータ２０が貫通する孔を有する。また、図１では図示を省略しているが、上断熱部材１６及び上軸１８は、各々冷却媒体を上型１１へ導入する導入経路を有する。上ヒータ２０は、上断熱部材及び上軸を貫通し上型１１の内部にまで挿入され、上型１１を直接加熱する。

下型１２は、下断熱部材１７を介して下軸１９に取り付けられ保持されている。下断熱部材１７及び下軸１９は、各々の中心部に、下ヒータ２１が貫通する孔を有する。また、図１では図示を省略しているが、下断熱部材１７及び下軸１９は、各々冷却媒体を下型１２へ導入する導入経路を有する。下軸１９は、調芯機構２３上に配置されているため、上型１１と下型１２とが摺動される際に、自動的に調芯される。下ヒータ２１は、１７及び１９内に収納され、下型１２を直接加熱する。

胴型１３は、上断熱部材１６に取り付けられた円筒形状の部材であり、上型１１と下型１２とを摺動させて上型１１及び下型１２の中心軸を位置合わせする。ストッパ１４は、下型１２のフランジ１２ｂ上に配設され、上型１１と下型１２の上下方向の距離を規制する。成形素材用ヒータ１５は、平板状のヒータであり、その高温に熱せられた板状体の輻射熱により光学素子成形素材２を加熱する。

ランプヒータ２２は、赤外線ランプ２２ａ、その背後に配置された反射ミラー２２ｂ、赤外線ランプ２２ａおよび反射ミラー２２ｂを支持するための支持部材２２ｃとから構成され、ランプヒータ支持部材２６に取り付けられる。赤外線ランプ２２ａ及び反射ミラー２２ｂは、それぞれ、半円弧状の部品を２つ組み合わせてリング状にしたものを複数段積み重ねて構成されており、全体として円筒形の形状を有し、胴型１３を取り囲むようにして取り付けられている。胴型１３は、ランプ２２ａから放射される赤外線により加熱される。

なお、上型１１、下型１２および胴型１３には、各部材の温度を検出するために熱電対等の温度検出手段がそれぞれ取り付けられ、図示しない温度制御手段に接続されている。温度制御手段には、温度制御プログラムが入力されており、上記温度検出手段で検出された温度に応じて上ヒータ２０、下ヒータ２１およびランプヒータ２２の出力をそれぞれ個別に制御する。また、成形素材用ヒータ１５にはヒータに熱電対が取り付けられ、ヒータ自体の温度を温度制御手段により制御する。

調芯機構２３は、下フレーム２５上に取り付けられている。調芯機構２３は、転動体式荷重受け２３ａと、この転動体式荷重受け２３ａを保持する基台２３ｂとを備える。転動体式荷重受け２３ａは、環状の軌道板、転動体および保持器から構成され、下軸１９を水平移動することができるようになっている。この下軸１９の水平移動は、下軸１９と一体的に形成された下断熱部材１７及び下型１２も同時に移動させるもので、下型１２が胴型１３に挿入、嵌合する際に、微小な位置合わせを容易に行うことができるようになっている。転動体はベアリングなどで使われる鋼球を使用してもよい。

駆動機構２９は、サーボモータ、エアーシリンダ等の昇降機構を有するものであり、例えば、サーボモータを駆動源としサーボモータの回転運動を直線運動推力に変換して、移動軸２９ａを上下動させる。駆動機構２９は、移動軸２９ａの上端が下フレーム２５の下面に当接した状態でベースフレーム２８に取り付けられている。移動軸２９ａは、図示しない制御装置に入力されたプログラムにより、速度、位置及び軸荷重が制御され、上下方向に駆動される。このため、移動軸２９ａの上下動に伴い、下フレーム２５も上下動し、さらに、下フレーム２５に間接的に固定されている下型１２も上下動するようになっている。

また、この光学素子の成形装置１は、駆動機構２９を除き、上記説明した装置の構成部材を収容するチャンバー３０を有する。このチャンバー３０は、その内部雰囲気を窒素等の不活性ガスにより不活性ガス雰囲気に維持することができるようになっており、プレス成形時に装置を構成する部材が酸化しないように、また、プレス成形の環境を保持しやすくするものである。

以下、さらに、本発明の特徴部分である成形素材用ヒータ１５、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２について説明する。

本発明において成形素材用ヒータ１５は、光学素子成形素材２を加熱するための専用のヒータで、下型１２に載置された成形素材を上部から非接触状態で加熱することができるものであれば、その種類、形状等は特に制限されるものではない。ところで、光学素子成形素材２は一般に球状又は扁平球状に形成されており、このような成形素材の全体を均一に加熱することができるように、成形素材用ヒータ１５は、平板状で、光学素子成形素材２の平面形状を覆うように配置することができるものであることが好ましく、例えば、ステンレス、アンビロイ等の金属板の内部にカートリッジヒータ、セラミックスヒータ、ＳｉＣヒータ等の発熱体を挿入して構成されるもの等を挙げることができる。

ここで、成形素材用ヒータ１５の平面形状は、光学素子成形素材２の平面形状よりも大きいものであることが必要で、より効率的に成形素材を均一に加熱するためには、その成形素材用ヒータ１５の平面形状の面積が、光学素子成形素材２の平面形状の面積の３倍以上であることが好ましい。この成形素材用ヒータ１５は、その内部に熱電対３１が設けられておりヒータの温度が直接検出され、この温度にしたがって温度制御手段により出力が調節されることで、成形素材用ヒータ１５を所望の温度に維持することができるようになっている。成形素材用ヒータ１５は直方体の形状とその内部に設けるヒータと熱電対３１より構成される。熱電対３１は、成形素材用ヒータ１５の温度を即座に反映することができるように、鉛直方向には内部に設けるヒータから１〜５ｍｍ上方の位置で、水平方向には成形素材用ヒータ１５の中心から半径１０ｍｍの円内に設けることが好ましい。

そして、成形素材用ヒータ１５は、胴型１３の側面に形成された開口部より、成形型の内部へ挿脱自在に移動することができるようになっており、成形型の内部へ挿入することで、上型１１と下型１２との間に成形素材用ヒータ１５が配置される。ここで、胴型１３の内側面には、この成形素材用ヒータ１５をガイドするための溝が形成され、この溝に対応するように成形素材用ヒータ１５の側面にはガイドピンが突出して形成されており、成形素材用ヒータ１５は、成形型内へ挿入される際に、ガイドピンが溝に沿って移動することで所定の位置に配置されるようになっている。

本発明において上ヒータ２０は、金属パイプの一方の端部に端子部又は端子リード線を形成したカートリッジヒータである。このカートリッジヒータは、上型１１の光学素子の成形面１１ａとは反対側の面に形成された孔に挿入されており、このカートリッジヒータの温度を上昇させることで上型１１を直接加熱することができるようになっている。

なお、この上ヒータ２０は、同じく上型１１内に設けられた熱電対３２により上型１１の温度が検出され、この検出された温度にしたがって、温度制御手段により所定の温度を維持するように上ヒータ２０の出力が調節される。熱電対３２は、成形素材の温度を即座に反映することができるように上成形面１１ａから５〜１０ｍｍの位置に設けることが好ましい。

本発明において下ヒータ２１は、金属パイプの一方の端部に端子部又は端子リード線を形成したカートリッジヒータである。このカートリッジヒータは、下型１２の光学素子の成形面１２ａとは反対側の面に形成された孔に挿入されており、このカートリッジヒータの温度を上昇させることで下型１２を直接加熱することができるようになっている。

なお、この下ヒータ２１は、同じく下型１２内に設けられた熱電対３３により下型１２の温度が検出され、この検出された温度にしたがって、温度制御手段により所定の温度を維持するように下ヒータ２１の出力が調節される。熱電対３３は、成形素材の温度を即座に反映することができるように下成形面１２ａから５〜１０ｍｍの位置に設けることが好ましい。

これら上ヒータ２０及び下ヒータ２１は、それぞれ温度管理を行う熱電対３２，３３と同一の部材に埋め込まれているため、これをフィードバック制御する際にも、タイムラグが少なく、従来よりも厳格に温度管理ができるようになっている。

また、これら上ヒータ２０及び下ヒータ２１は、それぞれ上型及び下型に形成された孔によりそれぞれの型の内部に挿入されて構成されるものであるが、加熱時におけるヒータと型との膨張率の相違から、型内部でヒータが損傷して機能しなくなってしまう場合がある。したがって、型内部にヒータを挿入する際には、ヒータの表面に緩衝部材を設け、これを型内部に挿入することが好ましい。

このとき、緩衝部材としては、熱膨張率が３〜２０×１０^−６の範囲で加熱温度に対し耐熱性を有するものであればよく、例えば、熱膨張率が３〜８×１０^−６程度の熱膨張の小さい耐熱鋼（例えば、ニッケル、ハステロイ、超硬）が望ましく、形状は、熱膨張によりヒータを破損させないようにするものであればよく、部材が弾性変形し易い形状（例えば、スプリング形状、コレットチャック形状）であることが好ましい。

本発明においてランプヒータ２２は、上記したように、赤外線ランプ２２ａ、その背後に配置された反射ミラー２２ｂ、赤外線ランプ２２ａおよび反射ミラー２２ｂを支持するための支持部材２２ｃとから構成されている。

ここで、赤外線ランプ２２ａは、赤外線の照射により成形型全体を加熱するためのものであり、この赤外線照射を効率良く行うために、その背後には反射ミラー２２ｂが設けられ、反射ミラー２２ｂからの反射した赤外線も成形型の加熱に寄与するようになっている。これらの赤外線ランプ２２ａ及び反射ミラー２２ｂは、支持部材２２ｃに固定され、さらにこれが、ランプヒータ支持部材２６に固定されることで、成形型の加熱を十分に行うことができるように胴型１３の周囲に配置されている。

なお、この赤外線ランプ２２ａは、胴型１３に設けられた熱電対３４により胴型１３の温度が検出され、この検出された温度にしたがって、温度制御手段により所定の温度を維持するように赤外線ランプ２２ａの出力が調節される。熱電対３４は、胴型１３の型内部に挿入して配置され、高さ方向には胴型１３の中心から上下１０ｍｍ程度の高さ範囲に配置することが好ましい。

そして、これら成形素材用ヒータ１５、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２は、温度制御手段により、それぞれの加熱のタイミング、温度が制御されるようになっており、特に、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２は、上記したように温度検出手段が検出した結果に基づいて、それぞれ個別に温度が制御される。

次に、本発明の光学素子の成形方法について、図１の光学素子の成形装置１を用いた場合について説明する。

光学素子の成形装置１はチャンバー３０内に配置されており、このチャンバー３０内は、窒素等の不活性ガスに置換される。置換が完了し、チャンバー３０内が不活性ガス雰囲気となったところで、予熱された光学素子成形素材２が下型１２の成形面１２ａ上に載置され、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２により成形型全体が加熱され、それと同時に光学素子成形素材２も加熱される。

この加熱を行いながら、駆動手段２９により下型１２を上方向に移動させて、下型１２を胴型１３に嵌合させる。嵌合させた下型１２をさらに上方に移動させていき、成形素材用ヒータ１５と光学素子成形素材２が所定の距離となったら、一旦上方への移動を停止し、ここで、成形素材用ヒータ１５により、光学素子成形素材２を軟化する温度まで加熱する（図２（ａ））。なお、この胴型１３への嵌合により、光学素子の光軸が一致するように上型１１及び下型１２の位置合わせが行われ、同軸性が確保される。

このとき、成形素材用ヒータ１５と光学素子成形素材２との距離は、成形素材を均一に加熱することができるように、ヒータの形状や性能、光学素子成形素材の大きさ等により適宜決定すればよい。一般には、例えば、３〜１０ｍｍの範囲で調整するようにすればよく、このとき、距離が近すぎると成形素材表面に温度分布が発生して場所によって温度がバラついてしまい、距離が遠すぎると成形素材表面を所望の成形粘性まで加熱することができなくなってしまう。

また、これと同時に上ヒータ２０及び下ヒータ２１により、それぞれ上型１１及び下型１２を加熱するが、これらのヒータ２０，２１は、それぞれ型の温度を個別に制御するようになっている。型温度は、上型１１及び下型１２に設けられた熱電対で検出することができ、これら熱電対３２，３３を取り付ける位置は、光学素子成形素材２の温度をできるだけ正確に反映するように、成形面１１ａ及び１２ａの近接した型内部に設けることが好ましく、例えば、成形面１１ａ、１２ａと熱電対との距離を５〜１０ｍｍとすることが好ましい。

図２には、上型１１には上ヒータ２０の先端に熱電対３２を、下型１２には下ヒータ２１の先端に熱電対３３を設けた例を示している。このように成形型内にヒータ及び熱電対を設置することで、温度制御におけるタイムラグを少なくすることができ、より厳格に上型１１及び下型１２の温度管理を行うことができる。

このとき、上型１１及び下型１２の温度は同一の温度でもよいし、温度差を設けてもよい。温度差を設ける場合には、上型１１と下型１２との温度差を２〜１５℃程度の範囲とすることが好ましい。

これと同時にランプヒータ２２でも、成形型全体を加熱し、プレス成形時にその加熱状態を維持することができるようになっている。このとき、それぞれのヒータは温度制御手段により個別に所定の温度となるように調節、維持される。

成形素材用ヒータ１５は、成形素材を軟化させる温度にまで加熱するもので、その素材の屈伏点（Ａｔ）以上に加熱すると変形が容易となるが、一般的には、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から軟化点の間の温度に設定する。ここでの加熱温度は、用いるガラス素材が加圧変形できる温度にすればよく、屈伏点と軟化点との中間付近の温度であることが好ましい。このヒータは、用いる光学素子成形素材の種類によって、その加熱温度は異なるが、フィードバック制御を行わずに、光学素子を所定の温度範囲に加熱できるように温度制御手段により、加熱温度と加熱のタイミングを制御すればよい。なお、この成形素材用ヒータ１５は、プレス成形を行う時には、成形型の外部への移動により加熱対象物がなくなるため、加熱を停止するようにしてもよい。

また、上ヒータ２０及び下ヒータ２１は、それぞれ上型１１及び下型１２の温度を個別に管理するようになっており、その温度は、それぞれの型内に埋め込まれた熱電対３２，３３により検出された温度をフィードバックすることによって、所定の温度範囲に制御される。このときの上型１１及び下型１２の温度は、その成形素材の屈伏点（Ａｔ）に対して５〜５０℃高い温度とすることが好ましい。

また、ランプヒータ２２は、成形型全体を加熱するものであり、急速に成形型の加熱を行うことができる。このランプヒータ２２は、成形型全体を加熱するのに適しており、特に加熱の初期段階において有用である。このランプヒータ２２は、胴型１３の温度をその胴型内に設けられた熱電対３４により検出し、その検出した温度をフィードバックすることによって、温度制御手段により所定の温度範囲に制御される。このときの胴型１３の温度は、その成形素材の屈伏点（Ａｔ）に対して、５〜５０℃高い温度とするものであることが好ましい。

これら成形素材用ヒータ１５、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２により光学素子成形素材２及び成形型が十分に加熱されたところで、成形素材用ヒータ１５を胴型１３の開口部から成形型の外部へと移動させる（図２（ｂ））。

成形素材用ヒータ１５が移動すると同時に、下型１２を再度上方へ移動させていき、光学素子成形素材２を上型１１との間でプレスし、所望の光学素子形状を付与する（図２（ｃ））。プレスのための下型１２のストロークは、成形する光学素子の肉厚に基づき、予め設定された値であり、次工程の冷却工程において、成形後の光学素子が熱収縮する分を見込んで定めた量とすることができる。なお、本実施形態においては、下型１２の上方移動を所定の位置で停止するようにストッパ１４が設けられている。

また、プレス成形の速度は、一般に、３〜６００ｍｍ／分であることが望ましい。直径が１５ｍｍ以上のガラスレンズを成形する場合には、３〜８０ｍｍ／分とすることが望ましい。また、プレスの手順は、成形する光学ガラスの形状や大きさに応じて、任意に設定することができる。このとき、プレス時の圧力は２．５〜３７．５Ｎ／ｍｍ^２とすることが好ましく、１０〜２０Ｎ／ｍｍ^２であることが特に好ましい

成形素材をプレス成形により押し切った直後に、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２による加熱を停止し、成形型を冷却する。そして、成形型の温度が成形素材のガラス転移点（Ｔｇ）以下になったところで、駆動手段２９により下型１２を下降してプレス成形された光学素子を離型し、光学素子を搬出可能とする。

この成形型の冷却は、上型１１を保持する上断熱部材１６及び上軸１８の内部に冷却媒体を流通させることで上型１１を、下型１２を保持する下断熱部材１７及び下軸１９の内部に冷却媒体を流通させることで下型１２を冷却することができるように構成してもよく、このとき、冷却媒体としては、窒素等の気体、冷却水等の液体のいずれも用いることができるが、成形型の酸化による劣化を考慮した場合、窒素等の不活性ガスであることが好ましい。

このとき、光学素子の割れや放射傷の発生を防止するために、冷却速度は、冷却開始から離型までの平均値として、５０〜２００℃／分とすることができる。冷却開始時の冷却速度は、平均の冷却速度より大きくてもよく、離型温度に近づくに従って冷却速度を下げゆっくり冷却し成形素材の内部に歪が生じないようにすることが好ましい。離型温度は、ガラス転移点Ｔｇ付近やそれ以下とすることができるが、一般には、（Ｔｇ−５０℃）〜Ｔｇまでの範囲内の値とすることが好ましい。

さらに光学素子をその材料の歪点以下まで冷却し、好ましくは２００℃以下となったところで、搬出手段によって、下型１２上の光学素子をチャンバー３０外へと搬出する。光学素子がチャンバー３０外に搬出されると、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２により再度成形型の加熱が行われ、次のプレス成形に備える。

以上のような操作を繰り返し行うことにより、効率的に光学素子を製造することができる。

なお、製造する光学ガラスの形状については、特に制限はなく、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズなどの成形を行うことができる。光学素子の大きさについても特に制限はなく、一般に、直径２ｍｍ程度から５０ｍｍ程度のものを成形できる。２ｍｍ以下の場合にはガラス素材が冷え易いので、割れ易くなり、５０ｍｍ以上では成形に時間を要すると共に、良好な面を得ることが著しく困難となるからである。さらに、光学ガラスの形状は球面、非球面、あるいはこれらの組み合わせとすることができる。

ちなみに、このとき用いる成形型はタングステンカーバイド等の超硬合金製のもので形成することが好ましい。

次に、具体的な実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。
（実施例１）
図１及び図２に示した光学素子の成形装置を用いて、光学素子の成形を以下の通り行った。

なお、ここで用いた成形型は、タングステンカーバイドからなる超硬合金製のものであり、プレス成形により、直径φ４０ｍｍ、中心厚さ７．５ｍｍ、周辺厚さ３ｍｍ、非球面の近似曲率半径がそれぞれ１００ｍｍと８５ｍｍの両凸形状の成形品が得られ、後加工の芯取り加工をすることで直径３５ｍｍの光学素子が得られるものである。

また、成形素材用ヒータ１５は、６０×８０×２０ｍｍのステンレス板の内部に、直径φ６ｍｍのカートリッジヒータを３本挿入して形成されたものであり、上ヒータ２０及び下ヒータ２１は、直径φ８ｍｍのカートリッジヒータの外周を厚さ３ｍｍのステンレス板で覆ったものであり、ランプヒータ２２は、２ｋＷ×３の構成である。

ここで、胴型１３の側面には、３０×７０ｍｍの大きさの開口部が設けられており、この開口部から成形素材用ヒータ１５が成形型内に挿脱できるようになっている。また、上ヒータ２０及び下ヒータ２１は、それぞれヒータの先端が、上型１１及び下型１２の成形面１１ａ及び１２ａから５ｍｍの距離となるように挿入されており、その先端には熱電対３２，３３が設けられている。さらに、ランプヒータ２２は、胴型１３の外周に４０ｍｍの間隔を設けて設置されており、胴型１３の内部には制御用熱電対３４が設けられている。

この成形型を５５０℃に予熱しておき、下型１２の成形面１２ａに２００℃に予熱したランタン系ガラスからなる研削研磨により作製した直径φ３６ｍｍ、中心厚み８．８３ｍｍ、周辺厚さ４．３ｍｍ、曲率半径がそれぞれ９０ｍｍと６０ｍｍの両凸球面レンズの光学素子成形素材を載置した。次いで、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２の出力を上げ成形型を６８０℃に加熱するようにした。なお、この光学素子成形素材の歪点は５８０℃、ガラス転移点（Ｔｇ）は６１６℃、屈伏点（Ａｔ）は６６２℃である。

上記加熱と同時に、駆動手段２９によりガラス素材が載置された下型１２を上方向に移動させて、下型１２を胴型１３に嵌合させ、さらに、成形素材用ヒータ１５と光学素子成形素材２との距離が１０ｍｍとなるまで下型１２を上方に移動させた後、一旦上方への移動を停止した。

ここで、成形素材用ヒータの温度を９２０℃とすることにより光学素子成形素材を６９０℃程度に加熱し、十分に加熱したところで、成形素材用ヒータを成形型の外部に移動させた。その後、再度、下型１２を、上方へ移動させ、光学素子成形素材を上型１１及び下型１２により押圧してプレス成形を行った。この成形時のプレス圧力は２０Ｎ／ｍｍ^２、プレス時間は４５秒とした。この時、下型１２の位置が所望のレンズ肉厚７．５ｍｍになる位置になるように位置制御し、所望の位置になったらプレス圧力をゼロにする。

プレス後、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２の出力を下げ、さらに、上軸１８及び上断熱部材１６に設けられた流路にＮ_２ガスを流通させて上型１１を、下軸１９及び下断熱部材１７に設けられた流路にＮ_２ガスを流通させて下型１２を、３０℃／分の一定の冷却速度で冷却する。屈伏点（Ａｔ）とガラス転移点（Ｔｇ）の間の所望の温度で再びプレス圧力を２０Ｎ／ｍｍ^２に上げ、５８０℃になったらプレス圧力をゼロになるようにして、光学素子形状を付与された成形素材を５８０℃まで冷却し、固化させた。

次に、上ヒータ２０、下ヒータ２１及びランプヒータ２２を停止し、上型１１及び下型１２の冷却速度を６０℃／分とすると同時に、駆動手段２９により下型１２を下降させ、成形素材が５５０℃程度になるまで冷却したところで、成形型から取り出し、光学素子を得た。

以上のように、本発明の光学素子の成形装置及び成形方法により、上型、下型及び光学素子成形素材にそれぞれ専用のヒータを設け、これらの加熱温度を個別に制御することで、各要素の温度管理を安定して行うことができ、光学素子の成形を効率良く行うことができた。

また、上型及び下型による光学素子成形素材の温度管理は、ヒータと熱電対が同一部材中に存在し、さらに、これらを成形面近傍に配置することによって、型の温度をフィードバックした際、ヒータで加熱するまでの時間を短縮し、タイムラグを生じにくいようにしているため、温度管理をより的確に行うことができるようになった。

本発明の光学素子の成形方法及び成形装置は、プレス成形による光学素子の製造に用いることができる。

１…光学素子の成形装置、１１…上型、１２…下型、１３…胴型、１４…ストッパ、１５…成形素材用ヒータ、１６…上断熱部材、１７…下断熱部材、１８…上軸、１９…下軸、２０…上ヒータ、２１…下ヒータ、２２…ランプヒータ、２３…調芯機構、２４…上フレーム、２５…下フレーム、２６…支持部材、２７…支柱、２８…ベースフレーム、２９…駆動機構、３０…チャンバー、３１，３２，３３，３４…熱電対

Claims (5)

1. 上型、下型及び胴型で構成される成形型と、前記上型及び胴型の上端を保持する上型保持部材と、前記下型の下端を保持する下型保持部材と、前記上型保持部材及び下型保持部材の少なくとも一方を上下動する駆動手段を備え、前記成形型内に光学素子成形素材を収容し、該光学素子成形素材を軟化温度以上に加熱した後、前記上型保持部材及び下型保持部材の少なくとも一方を互いに接近する方向に移動して光学素子成形素材を所定形状の光学素子にプレス成形する光学素子の成形装置において、
   前記上型の内部に収容され、上型を直接加熱する上ヒータと、
   前記下型の内部に収容され、下型を直接加熱する下ヒータと、
   前記胴型の周囲に設けられ、前記成形型を加熱する赤外線ランプヒータと、
   前記成形型に収容された光学素子成形素材を加熱するために成形型内に挿脱自在に設けられた成形素材用ヒータと、
   前記上型、下型、胴型及び成形素材用ヒータにそれぞれ配設された温度検出手段と、
   前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記上ヒータ、下ヒータ、赤外線ランプヒータ及び成形素材用ヒータをそれぞれ個別に温度制御する温度制御手段と、
   を有することを特徴とする光学素子の成形装置。
2. 前記上ヒータ及び下ヒータが、それぞれ表面に緩衝部材を有して上型及び下型の内部に収容されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子の成形装置。
3. 前記胴型が、前記成形素材用ヒータを成形型内に挿脱するための開口部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子の成形装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素子の成形装置を用いて、成形型上で光学素子成形素材を加熱軟化し、軟化した光学素子成形素材を前記成形型によりプレス成形して光学素子形状を付与し、光学素子形状を付与された光学素子成形素材を冷却固化させる光学素子の成形方法であって、
   前記上型、下型及び胴型にそれぞれ配設された温度検出手段の検出結果に基づいて上ヒータ、下ヒータ、赤外線ランプヒータ及び成形素材用ヒータをそれぞれ個別に温度制御することを特徴とする光学素子の成形方法。
5. 前記光学素子成形素材を加熱軟化する際に、前記成形型の温度よりも、前記光学素子成形素材の温度が高温となるように、前記上ヒータ、下ヒータ、赤外線ランプヒータ及び成形素材用ヒータを温度制御することを特徴とする請求項４記載の光学素子の成形方法。

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