JP4166619B2

JP4166619B2 - Optical element molding method and molding apparatus

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Publication number: JP4166619B2
Application number: JP2003132196A
Authority: JP
Inventors: 広喜岩沢
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2023-05-09
Also published as: JP2004331471A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズ等の光学素子の製造技術に関し、特に、光学素子の加圧成形による製造技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス素材である被成形素材を加熱して軟化させた状態で加圧成形して光学素子を製造する技術において、一旦加圧成形を行った後の冷却工程での成形体の熱収縮に起因して発生するヒケ等による成形精度の低下を抑制するために、冷却工程においても成形体へ加圧を行う技術が提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１や特許文献２には、熱膨張係数の高い第一の胴型と高温下ではこの第一の胴型よりも上下間の高さが低い第二の胴型とを上下型の間に配置しておき、被成形素材が軟化状態にある高温の成形温度下で第一の胴型に上下型を当接させながら被成形素材を加圧し、その後上下型での加圧を継続しながら冷却することで第一の胴型が熱収縮する結果上下型の間隔が狭まり、やがて第二の胴型に上下型が当接して所望形状の成形を完了させるという手法が開示されている。
【０００４】
また、例えば特許文献３には、各々独立して上下方向に移動可能な上下型を用意し、成形温度下では下型の位置を固定しつつ上型をスペーサが当接する所定位置まで降下させて第一の所定圧力での加圧を行い、その後の冷却工程では上型をその所定位置で固定しつつ下型を上昇させることにより第二の所定圧力での加圧を行って所望形状の成形を完了させるという手法が開示されている。
【０００５】
更に、例えば特許文献４には、転移点以上軟化点以下の成形温度に加熱しておいた被成形素材を下型から加圧して成形するときに、まず、サーボモータによって位置が制御される下型を最終型閉じ状態の若干手前の設定位置に移動させてからトルク制御を開始して被成形素材を第一の所定圧力で加圧し、その後下型からの微少な圧力での加圧を継続して被成形素材の形状を保持しつつ冷却を開始し、転移点近くの温度となってからは転移点に達するまでこの被成形素材を第二の所定圧力で下型から加圧して所望形状の成形を完了させるという手法が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２５６０２５号公報
【特許文献２】
特開２００２−２９７６３号公報
【特許文献３】
特開平６−１６４３２号公報
【特許文献４】
特許第３１４３５７５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献１や特許文献２に開示されている手法では、被成形素材の熱収縮量が第二の胴型の熱収縮量を上回っている場合、例えば肉厚の厚い光学素子の成形を行うなどの場合には被成形素材の成形型からの離型が冷却工程において発生し、光学素子の成形精度の低下の要因となることが考えられる。
【０００８】
また、特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されている手法では、成形温度下での加圧の後に行われる冷却工程の途中において温度に応じた成形体の形状の変形量の制御を行っていないため、最終的に形成される光学素子の個々の性能が冷却工程における冷却速度のばらつき等によってばらついてしまうことが考えられる。
【０００９】
更に、前述した特許文献４に開示されている手法では、成形温度下での加圧の後に行われる冷却工程において転移点近くの温度となるまで継続される成形型での加圧が微少なプレス力で行われるため、被成形素材の熱収縮量が大きい場合、例えば肉厚の厚い部分を含む光学素子の成形を行うなどの場合には冷却工程における温度低下の不均一によりいわゆるヒケが成形体に発生してしまうことが考えられる。このヒケを防止するためには例えば被成形素材の冷却速度を遅くすることが有効ではあるが、冷却速度を減速させることは光学素子の生産効率の低下を招くこととなる。
【００１０】
このようなヒケを打ち消すために、後に行う最終的な加圧成形で例えば加圧のプレス力を更に高める、あるいは長い時間をかけて加圧するといった手法を採ることができる。しかし、加圧のプレス力を高め過ぎた場合には形成される光学素子の内部応力が不均一に残留して光屈折率が不均一となり、光学素子の性能の低下を来たすことが考えられる。また、加圧時間を長くすることは結局光学素子の生産効率の低下を招くこととなる。
【００１１】
また、この特許文献４に開示されている手法では成形温度下での加圧時における下型の絶対位置の制御をサーボモータによって行っているため、上下型の熱変形や該上下型を保持している軸の熱変形によって最終的に形成される光学素子の成形精度が低下してしまうことが考えられる。
【００１２】
本発明は上述した問題を鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、光学素子の加圧成形における成形精度を向上させることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の態様のひとつである光学素子の成形方法は、被成形ガラス素材を一対の成形型によって加圧成形して光学素子とする光学素子の成形方法において、被成形ガラス素材自身の屈伏点温度よりも高い温度に加熱されて軟化している該素材を前記一対の成形型で加圧して、該素材の肉厚を光学素子として所望されている肉厚よりも厚い肉厚である設定肉厚とする加圧工程と、前記被成形ガラス素材への前記加圧を維持しながら該素材を前記屈伏点温度以下であって且つ該素材自身の転移点温度以上に冷却するまでに該素材の肉厚を前記所望されている肉厚に成形すると共に、前記素材の肉厚が前記設定肉厚になった時点からの経過時間およびそのときの前記一対の成形型間の距離に基づいて前記素材の温度を制御することで、前記素材の肉厚が前記設定肉厚から前記所望されている肉厚になるまでの時間を一定とする冷却成形工程とを含むものであり、この方法を使用することによって前述した課題を解決する。
【００１４】
この方法によれば、被成形ガラス素材への加圧を維持しながら上述した温度に冷却するまでに該素材を所望の肉厚に成形するので、ヒケの発生が防止される結果、成形精度が向上する。
また、被成形ガラス素材自体のばらつきや成形装置周囲の温度のばらつき等によって該素材を所望の肉厚に成形するまでに要する時間のばらつきを抑制することが可能となる結果、成形された光学素子の光学特性のばらつきが少なくなる。
なお、上述した本発明に係る光学素子の成形方法における冷却成形工程においては、前記被成形ガラス素材の温度が前記屈伏点温度と前記転移点温度との中間以下の温度に達したときに該素材の温度を保持しながら該素材前記所望の肉厚に成形するようにすることができる。
【００１５】
後述する実験の結果により、こうすることによって成形精度を顕著に向上させることができる。
【００１９】
また、前述した本発明に係る光学素子の成形方法における加圧工程において、前記被成形ガラス素材の肉厚が前記設定肉厚になったことの判定は、前記成形型の位置を検出するセンサの出力に基づいて行われるようにすることができる。
【００２０】
こうすることにより、直接の検出が困難である被成形ガラス素材の肉厚が設定肉厚になったことの検出が可能となる。
また、前述した本発明に係る光学素子の成形方法における冷却成形工程において、前記被成形ガラス素材の肉厚が前記所望されている肉厚に成形されたことの判定は、対向している一対の前記成形型の当接の検出に基づいて行われるようにすることができる。
【００２１】
こうすることにより、直接の検出が困難である被成形ガラス素材の肉厚が所望の肉厚に成形されたことの検出が可能となる。
【００２２】
本発明の別の態様のひとつである光学素子の成形装置は、被成形ガラス素材を加圧成形して光学素子とする光学素子の成形装置において、加熱軟化している被成形ガラス素材を加圧して成形する対向している一対の成形型と、前記一対の成形型間の距離が所定の間隔にまで接近し、前記素材の肉厚が光学素子として所望されている肉厚よりも厚い肉厚である設定肉厚になったことを検出する型接近検出手段と、前記一対の成形型間の距離が所定の間隔にまで接近し、前記素材の肉厚が前記所望されている肉厚になったことを検出する型当接検出手段と、前記型接近検出手段の検出から前記型当接検出手段の検出までの時間を一定とするために、前記型接近検出手段の検出からの経過時間およびそのときの前記一対の成形型間の距離に基づいて前記素材の温度を制御する温度制御手段と、を有するものであり、この装置を使用することによって前述した課題を解決する。
【００２３】
この装置によれば、温度制御手段が対向している成形型の位置関係に基づいて被成形ガラス素材の温度を制御することで、前述した本発明に係る光学素子の成形方法をこの装置を使用して実施することができる。従って、この装置を使用することにより、成形される光学素子の成形精度が向上する。
【００２６】
この構成によれば、対向している成形型が当接したときに被成形ガラス素材が前述した所望の肉厚となるようにしておくことにより、前述した本発明に係る光学素子の成形方法における冷却成形工程の完了の検出が可能となる。
【００２７】
この構成によれば、対向している成形型の間の距離が上述した所定の間隔であるときに被成形ガラス素材が前述した設定肉厚となるようにしておくことにより、前述した本発明に係る光学素子の成形方法における加圧工程の完了の検出が可能となる。
【００２９】
この構成によれば、被成形ガラス素材自体のばらつきや成形装置周囲の温度のばらつき等によって該素材を所望の肉厚に成形するまでに要する時間のばらつきを抑制することが可能となる結果、成形された光学素子の光学特性のばらつきが少なくなる。
【００３０】
また、前述した本発明に係る光学素子の成形装置において、対向している成形型の間の距離を測定する距離測定手段を更に有するようにすることができる。
この構成によれば、温度制御手段が距離測定手段の測定結果に基づいてガラス素材の温度を制御することができるようになる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る成形装置の構造を示している。
図１において、成形室１にはヒータ３が設置されており、成形室１を囲んでいる外覆部２には水冷パイプ４が埋め込まれている。ヒータ３が動作すると成形室１は加熱され、また不図示のポンプを動作させて水冷パイプ４内に水を流すと成形室１は冷却される。プログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）５はこのヒータ３及びポンプの動作を制御することによって成形室１を所定の温度に加熱・冷却することができ、更に、成形室１の温度変化の速度を変化させることもできる。
【００３３】
成形室１内には、固定軸７に取り付けられている固定側型板６と、移動軸１０に取り付けられている稼動側型板９とが備えられている。ここで、固定側型板６及び固定軸７が移動することはないが、移動軸１０は不図示の駆動装置を動作させることによって固定側型板６と近づく方向若しくは遠ざかる方向に移動し、この移動に応じて稼動側型板９もその方向に移動する。なお、ＰＬＣ５はこの駆動装置の動作の制御も行い、稼動側型板９を上述した方向へ移動させること、及び所望の位置で停止した状態を維持することができる。
【００３４】
固定側型板６には上型８が取り付けられており、稼動側型板９には下型１１が上型８に対向して取り付けられている。図１では円柱形状にプリフォームされているガラス素材である被成形素材１２が下型１１の成形面上に載置されている。この後、ヒータ３を動作させて被成形素材１２を加熱軟化させた状態とし、前述した駆動装置を動作させて下型１１を上方へ移動させて対向している上型８の成形面と下型１１の成形面とが当接するまで被成形素材１２の円筒面を加圧（プレス）し、その後に被成形素材１２を冷却硬化させることにより光学素子が成形される。
【００３５】
なお、図１に図示されている上型８と下型１１との成形面の形状を参照すると分かるように、このときに形成される光学素子は側面の一つが凹面を呈している三角柱状のガラスプリズム（一面球面プリズム）となる。本実施形態において被成形素材１２として円柱形状にプリフォームされているものを使用するのは、型とガラスの間に空気をまきこむことなく、三角柱状のプリズムを成形することができるからである。
【００３６】
稼動側型板９に設けられている型当接検出接点１３とこれに対向して固定側型板６に設けられている固定側型板接点Ａ１４とは接触センサを構成しており、上型８と下型１１との当接を検出する。下型１１が上昇して上型８と下型１１とが当接すると型当接検出接点１３と固定側型板接点Ａ１４とが接触して短絡し、電池Ａ１５からリレーＡ１６内のコイルに電流が流れる。このときコイルに生じる磁力によってリレーＡ１６内の２つの接点が接触することでこの各接点とＰＬＣ５とを各々接続している２本の電線が導通するので下型１１が上型８と当接する位置に達したことがＰＬＣ５によって検出される。
【００３７】
また、稼動側型板９に設けられている型近接検出接点１７とこれに対向して固定側型板６に設けられている固定側型板接点Ｂ１８とでも接触センサを構成しており、上型８と下型１１との間の距離が所定の間隔まで接近したことを検出する。上型８と下型１１とが所定の間隔まで接近すると型近接検出接点１７と固定側型板接点Ｂ１８とが当接して短絡し、電池Ｂ１９からリレーＢ２０内のコイルに電流が流れる。このときコイルに生じる磁力によってリレーＢ２０内の２つの接点が接触することでこの各接点とＰＬＣ５とを各々接続している２本の電線が導通するので下型１１が上型８から所定の間隔だけ離れた位置に達したことがＰＬＣ５によって検出される。
【００３８】
なお、型近接検出接点１７と固定側型板接点Ｂ１８とが当接した後に更に上型８と下型１１とを接近させると、稼動側型板９から突き出た所定位置に型近接検出接点１７を保持しているコイルばね２１が圧縮されて型近接検出接点１７が稼動側型板９の内部に収容されるので、上型８と下型１１とを当接させることができる。
【００３９】
変位センサ２２は、上型８と下型１１との間の距離を測定してその値をＰＬＣ５へ与えるセンサであり、ここでは位置検出に用いられるリニアスケールを使用する。
次に、図１に示した成形装置を用いて行う、本発明を実施する光学素子の成形方法の手順について説明する。
【００４０】
まず図２について説明する。同図は図１に示した成形装置の制御の様子を示した図である。同図に示すグラフは、上から順に、被成形素材１２の温度変化、上型８と下型１１とによる被成形素材１２へのプレス圧力の変化、下型１１の位置の変化を示しており、横軸は時間の経過を示している。なお、本実施形態においては、被成形素材１２に対する加熱・冷却・加圧及び下型１１の位置の制御についてはＰＬＣ５に行わせる。
【００４１】
図２に示す工程を開始する前に、下型１１を下降させておき、被成形素材１２を下型１１の成形面に載置する。なお、このときの下型１１の位置が「変位０」の位置となる。また、このときには被成形素材１２は上型８に接していないので、プレス力は当然「０」である。
【００４２】
まず、図２の（ａ）の期間（窒素置換期間）において、後の工程での被成形素材１２の酸化を防止するため、成形室１内に窒素を送り込んで空気（酸素）を排出する。
成形室１内が充分な窒素雰囲気となったならば、制御は（ｂ）の期間（加熱期間）に移り、ＰＬＣ５はヒータ３を動作させて成形室１を加熱して屈伏点温度Ａｔよりもやや高い温度Ｔａにする。ここで、屈伏点温度とは、被成形素材１２であるガラス素材を加熱したときに熱膨張が起こらなくなり、それ以上に加熱すると逆に収縮が始まる温度をいう。
【００４３】
（ｂ）の期間に移ってから成形室１の温度がＴａに達したとみなせる程度に十分な時間が経過したら、制御は（ｃ）の期間（均温期間）に移り、ＰＬＣ５はヒータ３の動作を制御してこのときの温度Ｔａを維持し、被成形素材１２が全体に渡って温度Ｔａで均一となるようにする。
【００４４】
（ｃ）の期間に移ってから被成形素材１２が全体に渡って温度Ｔａとなったとみなせる程度に十分な時間が経過したら、制御は（ｄ）の期間（充填期間）に移り、ＰＬＣ５はヒータ３の動作制御を継続してこのときの被成形素材１２の温度をＴａで維持しながら不図示の駆動装置の動作を開始させて下型１１を上昇させ、下型１１と上型８とで被成形素材１２を一定のプレス圧Ｐａで加圧して変形させる。
【００４５】
この加圧によって被成形素材１２の変形が進むと、稼動側型板９が固定側型板６へ徐徐に接近し、やがて型近接検出接点１７と固定側型板接点Ｂ１８とが当接する。図２では型近接検出接点１７と固定側型板接点Ｂ１８とが初めて当接したときの下型１１の位置を「変位Ａ」と示している。なお、このときの被成形素材１２は完成品である光学素子として所望されている形状とはなっておらず、その所望されているものよりも厚い肉厚（前述した設定肉厚）となっている。
【００４６】
この当接が検出されると制御は（ｅ）の期間（第一徐冷期間）に移り、ＰＬＣ５は被成形素材１２に対するプレス圧Ｐａでの加圧を維持しながら、ヒータ３の動作を制御して成形室１の加熱量を徐徐に低下させる。すると、被成形素材１２は徐冷されてその温度がＴａから屈伏点温度Ａｔを下回って徐徐に低下するので熱膨張による下型１１と上型８とを押す力が弱まる結果、下型１１の位置は「変位Ａ」から更に上昇する。
【００４７】
その後、成形室１の加熱量を低下させ続けて被成形素材１２の熱膨張による力の減少が更に進み、上昇を続ける下型１１の位置が図２における「変位Ｂ」に達すると、下型１１と上型８との当接が型当接検出接点１３と固定側型板接点Ａ１４との短絡によってＰＬＣ５で検出される。この下型１１と上型８とが当接したときの被成形素材１２の形状は完成品である光学素子として所望されている肉厚・形状となっている。
【００４８】
なお、この当接が生じるときにおける被成形素材１２の温度が屈伏点温度Ａｔ以下であって且つ転移点温度Ｔｇ以上の範囲に含まれるように、予め型近接検出接点１７の稼動側型板９からの突き出し量を設定しておくようにする。ここで、転移点温度とは、被成形素材１２であるガラス素材を加熱したときに弾性状態から粘弾性状態へと転移する温度域を表す値であり、具体的には、ガラス素材が弾性状態にあるときの温度変化に対する熱膨張の割合を示す熱膨張直線と、そのガラス素材が粘弾性状態にあるときの温度変化に対する熱膨張の割合を示す熱膨張直線との交点の温度をいう。従って、下型１１と上型８とが当接したときには、被成形素材１２は粘弾性状態にあるといえる。
【００４９】
下型１１と上型８との当接が検出されると制御は（ｆ）の期間（歪除去期間）に移り、ＰＬＣ５はヒータ３の動作を制御して成形室１の加熱量をやや増加させて被成形素材１２を下型１１と上型８とが当接したときの温度Ｔｂで維持すると共に、不図示の駆動装置の動作を制御して被成形素材１２を前述したプレス圧Ｐａよりも小さなプレス圧Ｐｂで加圧し続けて下型１１と上型８とが当接している状態を維持するようにする。この工程により、成形された光学素子に残存すると光学特性の劣化要因となる被成形素材１２内部の歪みが解放される。
【００５０】
（ｆ）の期間に移ってから被成形素材１２内部の歪みが解放されたとみなせる程度に十分な時間が経過したら、制御は（ｇ）の期間（第二徐冷期間）に移り、ＰＬＣ５はヒータ３の動作を制御して成形室１の加熱量を再び徐徐に低下させることによって被成形素材１２を徐冷し、その温度が転移点温度Ｔｇを下回るものとなるようにする。なお、このときも下型１１と上型８との当接状態を維持するが、被成形素材１２の温度を低下させることによって熱膨張による下型１１と上型８とを押す力も徐徐に弱まるので、これに応じて下型１１と上型８との当接状態を維持するためのプレス圧を前述した値Ｐｂから徐徐に小さくするように不図示の駆動装置の動作を制御する。
【００５１】
（ｇ）の期間に移ってから被成形素材１２の温度が転移点温度Ｔｇを下回ったとみなせる程度に十分な時間が経過したら、制御は（ｈ）の期間（急冷期間）に移り、ＰＬＣ５はヒータ３の動作を停止させると共に、不図示のポンプを動作させて水冷パイプ４内に水を流して成形室１を急速に低下させることで被成形素材１２を急冷する制御を行う。このときも下型１１と上型８との当接状態を維持するべく、被成形素材１２の有する弾性を維持する程度のごく弱いプレス圧で加圧し続ける。
【００５２】
その後、（ｈ）の期間に移ってから被成形素材１２の温度が取出可能な程度にまで冷却されたとみなせる程度に十分な時間が経過したら、制御は（ｉ）の期間に移り、ＰＬＣ５は不図示のポンプの動作を制御して水冷パイプ４内の水を排出する。続いて制御は（ｊ）の期間に移り、不図示の駆動装置の動作を制御して下型１１を初期の位置である「変位０」の位置まで下降させ、光学素子に成形された被成形素材１２の取り出しを行って一連の成形を完了する。
【００５３】
以上の手順が本発明を実施する光学素子の成形方法である。なお、上述した成形方法を実施する場合には図１に示した変位センサ２２は必ずしも必要ではない。
ところで、前述した成形方法での第一徐冷期間（図２の（ｅ）の期間）における被成形素材１２の徐冷では、予め型近接検出接点１７の稼動側型板９からの突き出し量を設定しておくことで、下型１１と上型８との当接が生じるときにおける被成形素材１２の温度Ｔｂが屈伏点温度Ａｔ以下であって且つ転移点温度Ｔｇ以上の範囲に含まれるようにしていた。しかし、この制御においては、被成形素材１２の変形の程度とは無関係にその温度を低下させるため、被成形素材１２自体のばらつきや成形装置周囲の温度のばらつき等により、型近接検出接点１７と固定側型板接点Ｂ１８とが当接してから下型１１と上型８とが当接するまでの時間にばらつきが生じることがある。このばらつきは、成形時のサイクルタイムがばらつく原因となり、成形後の光学素子の光学特性がばらつく原因となり得るものである。この問題に対処するためには、被成形素材１２の変形の程度に基づいて被成形素材１２の冷却の速度を制御するとよい。以下、この制御の手法について、図３を参照しながら説明する。
【００５４】
図３は、図２に示した制御の様子のうち、（ｅ）の期間（第一徐冷期間）の付近における被成形素材１２の温度変化（点Ｃから点Ｄにかけての温度変化）と下型１１の位置の変化（変位Ａから変位Ｂにかけての位置の変化）とを拡大して示したものである。
【００５５】
図３の（１）は、被成形素材１２の温度変化の速度がばらついている場合を示しており、同図のＡ点において型近接検出接点１７と固定側型板接点Ｂ１８との当接が検出されることによってＰＬＣ５がヒータ３の動作を制御して成形室１の加熱量を一定の割合で低下させているにも拘らず、被成形素材１２の温度低下の速度がばらつく（図におけるグラフＣ→Ｄ−１の変化からグラフＣ→Ｄ−２の変化までの範囲でばらつく）結果、下型１１と上型８との当接の時刻が同図のＢ−１点からＢ−２点までの範囲でばらついてしまい、第一徐冷期間の長さも（ｅ）−１から（ｅ）−２までばらついてしまっている。
【００５６】
そこで、このような場合に対処すべく、ＰＬＣ５は型近接検出接点１７と固定側型板接点Ｂ１８との当接が検出されたときに、変位センサ２２に下型１１と上型８との間の距離の測定を開始させ、その測定結果を変位センサ２２から逐次取得する。また、ＰＬＣ５には、型近接検出接点１７と固定側型板接点Ｂ１８との当接から下型１１と上型８とが当接するまでの期間における、下型１１と上型８との間の距離と、型近接検出接点１７と固定側型板接点Ｂ１８との当接からの経過時間との適切な関係が示されているテーブルデータを予め用意しておくようにする。
【００５７】
ここで、型近接検出接点１７と固定側型板接点Ｂ１８との当接からある時間が経過したときに変位センサ２２によって測定された下型１１と上型８との間の距離が上述したテーブルデータに示されている距離よりも近いときには、ＰＬＣ５はヒータ３の動作を制御して成形室１の加熱量を低下させる割合を少なくして被成形素材１２の温度低下の速度を緩やかにする。一方、このときに変位センサ２２によって測定された下型１１と上型８との間の距離が上述したテーブルデータに示されている距離よりも遠いときには、ＰＬＣ５はヒータ３の動作を制御して成形室１の加熱量を低下させる割合を大きくして被成形素材１２の温度低下の速度を急にする。つまり、下型１１と上型８との間の距離を被成形素材１２の変形の程度とみなし、この距離に基づいた被成形素材の冷却の速度の制御をＰＬＣ５に行わせるのである。
【００５８】
このようにすることにより、被成形素材１２の温度変化の速度を図３（２）に示されているように一定（図におけるグラフＣ→Ｄの変化）とすることができるようになる結果、下型１１と上型８との当接の時刻を常に同図のＢ点とし、第一徐冷期間の長さを（ｅ）に安定させることができるようになり、前述したばらつきに起因するサイクルタイムのばらつきによる成形後の光学素子の光学特性のばらつきが抑制される。
【００５９】
上述した本発明に係る成形方法を実施したときの実験データを図４に示す。
図４において、（１−１）及び（１−２）は充填期間（図２の（ｄ）の期間）における被成形素材１２への加圧におけるプレス圧Ｐａを変化させた実験のデータ、（２−１）及び（２−２）は歪除去期間（図２の（ｆ）の期間）における被成形素材１２への加圧におけるプレス圧Ｐｂを変化させた実験のデータ、そして（３−１）及び（３−２）は歪除去期間（図２の（ｆ）の期間）において保持する被成形素材１２の温度Ｔｂを変化させた実験のデータをそれぞれ示しており、（４）はこれらの実験における測定対象を説明するための図である。
【００６０】
まず実験条件について説明する。
この実験は、７．５×７．５×１２．０［ｍｍ］の一面球面プリズムを上述した成形方法により製造するものであり、各条件の下で製造された１００個のプリズムのうち良品と判定されたものの個数を計数するというものである。
【００６１】
この実験では、被成形ガラス素材として、転移点温度Ｔｇ＝５０６℃、屈伏点温度Ａｔ＝５３８℃のものを使用した。
ここで、プリズムの良否判定については、図４（４）に示す測定面におけるＰＶ値が０．２μｍ以下のものを良品とすることとした。ＰＶ（Peak-to-Valley）値とは測定面におけるその面の法線方向への設計値からのずれ量を示している。また、プリズムの良否判定の対象として、図４（４）に示す面、すなわち下型１１によって形成される面のうち平面である方を測定面として選択したのは、実験条件の影響がこの面に最も顕著に現れるからである。
【００６２】
まず（１−１）及び（１−２）について説明する。（１−１）に示すグラフは、横軸はプレス圧Ｐａの大きさ、縦軸はＰＶ値を示しており、Ｐａをある値としたときの各プリズムのＰＶ値の平均値並びに最大値及び最小値を示している。また、（１−２）に示す表は、Ｐａをある値としたときに製造された１００個のプリズムのうち前述した良否判定条件に基づいて良品と判定されたものの個数を示している。
【００６３】
この（１−１）及び（１−２）を参照すると、Ｐａの値を１０ＭＰａ（メガパスカル）から４０ＭＰａの間とすると製造されたプリズムのうち９０％以上が良品となり、その範囲外の場合における良品率と比べて際立って優れた結果が得られることが判明した。ここで、Ｐａがこの値の範囲を下回るとヒケが多く発生するようになり、Ｐａがこの値を上回ると焼きつきが多く発生するようになった。
【００６４】
次に（２−１）及び（２−２）について説明する。（２−１）に示すグラフは、横軸はプレス圧Ｐｂの大きさ、縦軸はＰＶ値を示しており、Ｐｂをある値としたときの各プリズムのＰＶ値の平均値並びに最大値及び最小値を示している。また、（２−２）に示す表は、Ｐｂをある値としたときに製造された１００個のプリズムのうち前述した良否判定条件に基づいて良品と判定されたものの個数を示している。
【００６５】
この（２−１）及び（２−２）を参照すると、Ｐｂの値についても１０ＭＰａから４０ＭＰａの間とすると製造されたプリズムのうち９０％以上が良品となり、その範囲外の場合における良品率と比べて際立って優れた結果が得られることが判明した。ここで、Ｐｂがこの値の範囲を下回るとヒケが多く発生するようになり、Ｐｂがこの値を上回ると焼きつきが多く発生するようになった。
【００６６】
以上のことから、Ｐａ及びＰｂの値はいずれも１０ＭＰａから４０ＭＰａの間とすることが光学素子の成形精度の向上の点において好ましいといえる。
次に（３−１）及び（３−２）について説明する。（３−１）に示すグラフは、横軸は保持温度Ｔｂの値、縦軸はＰＶ値を示しており、Ｔｂをある値としたときの各プリズムのＰＶ値の平均値並びに最大値及び最小値を示している。また、（３−２）に示す表は、Ｔｂをある値としたときに製造された１００個のプリズムのうち前述した良否判定条件に基づいて良品と判定されたものの個数を示している。
【００６７】
この（３−１）及び（３−２）を参照すると、Ｔｂの値は５０６℃から５２２℃の間、すなわち、転移点温度Ｔｇ以上であって、且つ屈伏点温度Ｔｇと転移点温度Ａｔとのちょうど中間の温度（Ｔｇ−（Ａｔ−Ｔｇ）×０．５）以下とすると製造されたプリズムのうち９０％以上が良品となり、その範囲外の場合における良品率と比べて際立って優れた結果が得られることが判明した。ここで、Ｔｂがこの値の範囲を下回ると割れが多く発生するようになり、Ｔｂがこの値を上回ると面積度の劣化が多く見られるようになった。
【００６８】
以上のことから、Ｔｂの値は転移点温度Ｔｇ以上であって且つ屈伏点温度Ｔｇと転移点温度Ａｔとの中間の温度以下とすることが光学素子の成形精度の向上の点において好ましいといえる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。
【００６９】
例えば、上述した実施形態においては被成形素材１２に対する加熱・冷却・加圧の制御をＰＬＣ５によって実現していたが、コンピュータに備えられているＣＰＵ（中央演算装置）にこれらの制御を行わせるためのプログラムを作成して該プログラムを該ＣＰＵに実行させることで実現するようにしてもよい。
【００７０】
また、前述した実施形態においては、変位センサ２２は下型１１と上型８との間の距離の測定を行っていたが、上型８はこの実施形態においては固定されているので、変位センサ２２は下型１１の変位を測定するようにし、この測定結果から下型１１と上型８との間の距離を算出するようにしてもよい。また、この変位センサ２２の測定結果を用いて下型１１と上型８との当接の検出や、下型１１の位置が「変位Ａ」となったことの検出を行うようにすることも可能である。
【００７１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明は、まず、被成形ガラス素材自身の屈伏点温度よりも高い温度に加熱されて軟化している該素材を成形型で加圧して該素材の肉厚を光学素子として所望されている肉厚よりも厚い肉厚である設定肉厚とし、続いて、該被成形ガラス素材への該加圧を維持しながら該素材を該屈伏点温度以下であって且つ該素材自身の転移点温度以上となるまで冷却することで該素材の肉厚を前記所望されている肉厚に成形するようにする。
【００７２】
こうすることにより、本発明によれば、形成される光学素子の成形精度が向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る成形装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示した成形装置の制御の様子を示す図である。
【図３】冷却の制御の様子を示す図である。
【図４】本発明に係る成形方法を実施したときの実験データを示す図である。
【符号の説明】
１成形室
２外覆部
３ヒータ
４水冷パイプ
５プログラマブルコントローラ
６固定側型板
７固定軸
８上型
９稼動側型板
１０移動軸
１１下型
１２被成形素材
１３型当接検出接点
１４固定側型板接点Ａ
１５電池Ａ
１６リレーＡ
１７型接近検出接点
１８固定側型板接点Ｂ
１９電池Ｂ
２０リレーＢ
２１コイルばね
２２変位センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology for manufacturing an optical element such as a lens, and more particularly to a technology for manufacturing an optical element by pressure molding.
[0002]
[Prior art]
In the technology of manufacturing optical elements by pressure molding in a state where the molding material, which is a glass material, is heated and softened, it is caused by the thermal contraction of the molded body in the cooling process after pressure molding once In order to suppress a decrease in molding accuracy due to sink marks or the like generated in the past, a technique for applying pressure to the molded body in the cooling process has been proposed.
[0003]
For example, in Patent Document 1 and Patent Document 2, a first body mold having a high thermal expansion coefficient and a second body mold having a lower height between the upper and lower sides than the first body mold at high temperatures are referred to as upper and lower molds. Place it in between and press the material to be molded while the upper and lower molds are in contact with the first body mold at a high molding temperature where the material to be molded is soft. As a result of the thermal contraction of the first body mold while cooling, the distance between the upper and lower molds is narrowed, and eventually the upper and lower molds come into contact with the second body mold to complete the molding of the desired shape. .
[0004]
Also, for example, in Patent Document 3, an upper and lower mold that can be moved independently in the vertical direction is prepared, and the upper mold is lowered to a predetermined position where the spacer abuts while fixing the position of the lower mold at the molding temperature. Pressurization with the first predetermined pressure is performed, and in the subsequent cooling step, the upper mold is fixed at the predetermined position and the lower mold is lifted to perform pressurization with the second predetermined pressure to form a desired shape. The method of completing is disclosed.
[0005]
Furthermore, for example, in Patent Document 4, when a material to be molded that has been heated to a molding temperature that is higher than the transition point and lower than the softening point is pressed from the lower mold and molded, the position is first controlled by a servo motor. Start the torque control after moving the mold to the set position slightly before the final mold closed state, pressurize the material to be molded at the first predetermined pressure, and then continue pressurizing with the slight pressure from the lower mold Then, cooling is started while maintaining the shape of the molding material, and after reaching a temperature near the transition point, the molding material is pressed from the lower mold with a second predetermined pressure until the transition point is reached. There has been proposed a method of completing the molding.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-6-256025
[Patent Document 2]
JP 2002-29763 A
[Patent Document 3]
JP-A-6-16432
[Patent Document 4]
Japanese Patent No. 3143575
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the methods disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 described above, when the amount of heat shrinkage of the material to be molded exceeds the amount of heat shrinkage of the second body mold, for example, molding of a thick optical element is performed. In the case of performing the process, it is conceivable that release of the material to be molded from the mold occurs in the cooling process, which causes a decrease in the molding accuracy of the optical element.
[0008]
Further, in the methods disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3, control of the deformation amount of the shape of the molded body in accordance with the temperature during the cooling step performed after pressurization at the molding temperature. Therefore, it is conceivable that the individual performance of the optical element finally formed varies due to variations in the cooling rate in the cooling process.
[0009]
Furthermore, in the method disclosed in Patent Document 4 described above, a press in which pressing with a molding die that is continued until the temperature near the transition point is reached in the cooling step performed after pressing under the molding temperature is very small. If the material to be molded has a large amount of thermal shrinkage, for example, when molding an optical element including a thick part, so-called sink marks are formed due to uneven temperature drop in the cooling process. It is thought that it will occur. In order to prevent this sinking, for example, it is effective to reduce the cooling rate of the material to be molded. However, reducing the cooling rate causes a decrease in the production efficiency of the optical element.
[0010]
In order to cancel such sink marks, it is possible to take a technique of further increasing the pressing force of pressurization or performing pressurization over a long time, for example, in final press molding performed later. However, if the pressing force of pressurization is excessively increased, the internal stress of the optical element to be formed will remain non-uniformly, the optical refractive index will become non-uniform, and the performance of the optical element will be degraded. Moreover, if the pressurization time is lengthened, the production efficiency of the optical element is eventually lowered.
[0011]
In the method disclosed in Patent Document 4, the absolute position of the lower mold is controlled by a servo motor during pressurization at the molding temperature, so that the upper and lower molds are thermally deformed and the upper and lower molds are held. It is conceivable that the molding accuracy of the optical element finally formed decreases due to the thermal deformation of the shaft.
[0012]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and a problem to be solved is to improve molding accuracy in pressure molding of optical elements.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  An optical element molding method according to one aspect of the present invention includes:In a method for molding an optical element, which is an optical element formed by pressure-molding a glass material to be molded with a pair of molds,The material that has been softened by being heated to a temperature higher than the yield point temperature of the glass material itself.The pair ofPress with a mold,A pressing step of setting the thickness of the material to a set thickness that is thicker than a thickness desired for an optical element; and maintaining the pressure on the glass material to be molded while maintaining the pressing The thickness of the material is formed to the desired thickness before cooling to a temperature below the yield point temperature and above the transition temperature of the material itself.In addition, the thickness of the material is controlled by controlling the temperature of the material based on the elapsed time from the time when the thickness of the material reaches the set thickness and the distance between the pair of molding dies at that time. Is a constant time from the set thickness to the desired thicknessA cooling molding step, and the above-described problems are solved by using this method.
[0014]
  According to this method, since the material is molded to a desired thickness before being cooled to the temperature described above while maintaining the pressure on the glass material to be molded, the occurrence of sink marks is prevented, and as a result, molding accuracy is improved. improves.
  In addition, as a result of being able to suppress variations in time required to form the material to a desired thickness due to variations in the glass material itself, variations in temperature around the molding apparatus, etc., the molded optical element Variations in the optical characteristics are reduced.
  In the cooling molding step of the optical element molding method according to the present invention described above, when the temperature of the glass material to be molded reaches a temperature below the intermediate point between the yield point temperature and the transition point temperature, the material is formed. The raw material can be molded to the desired thickness while maintaining the temperature of the material.
[0015]
  According to the results of experiments described later, this can significantly improve the molding accuracy..
[0019]
  Also,In the pressurizing step in the optical element molding method according to the present invention described above, the determination that the thickness of the glass material to be molded has reached the set thickness is based on the output of the sensor that detects the position of the mold. Can be made based on.
[0020]
By doing so, it is possible to detect that the thickness of the glass material to be molded, which is difficult to detect directly, has reached the set thickness.
Further, in the cooling molding step of the optical element molding method according to the present invention described above, the determination that the thickness of the glass material to be molded has been molded to the desired thickness is determined by a pair of opposing surfaces. It can be performed based on detection of the contact of the mold.
[0021]
  By doing so, it becomes possible to detect that the thickness of the glass material to be molded, which is difficult to detect directly, is formed to a desired thickness..
[0022]
  BookAn optical element molding apparatus according to another aspect of the invention includes:In an optical element molding apparatus that press-molds a glass material to be molded into an optical element,Opposing to form by pressing the glass material to be softened by heatingA pair ofA mold,A mold for detecting that the distance between the pair of molds approaches a predetermined distance, and that the thickness of the material has reached a set thickness that is thicker than the thickness desired for the optical element. An approach detection means; a mold contact detection means for detecting that the distance between the pair of molds has approached a predetermined distance and the thickness of the material has reached the desired thickness; and In order to make the time from detection of the mold approach detection means to detection of the mold contact detection means constant, based on the elapsed time from the detection of the mold approach detection means and the distance between the pair of molds at that time SaidAnd a temperature control means for controlling the temperature of the material. By using this apparatus, the above-mentioned problems are solved.
[0023]
According to this apparatus, the apparatus is used for the optical element molding method according to the present invention described above by controlling the temperature of the glass material to be molded based on the positional relationship between the molds facing the temperature control means. Can be implemented. Therefore, by using this apparatus, the molding accuracy of the optical element to be molded is improved.
[0026]
  According to this configuration, in the optical element molding method according to the present invention described above, the glass material to be molded has the above-described desired thickness when the opposing molds come into contact with each other. Enables detection of completion of cooling molding process.
[0027]
  ThisAccording to the configuration of the present invention, the glass material to be molded has the set thickness described above when the distance between the facing molds is the predetermined interval described above. It is possible to detect the completion of the pressing step in the optical element molding method.
[0029]
According to this configuration, it is possible to suppress variations in time required to form the material into a desired thickness due to variations in the glass material itself or variations in temperature around the molding apparatus. Variations in the optical characteristics of the optical elements are reduced.
[0030]
The optical element molding apparatus according to the present invention described above may further include a distance measuring means for measuring the distance between the opposing molds.
According to this configuration, the temperature control means can control the temperature of the glass material based on the measurement result of the distance measurement means.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
  FIG. 1 shows the structure of a molding apparatus according to the present invention.
  In FIG.Molding room1 has a heater 3 installed,Molding roomA water-cooled pipe 4 is embedded in the outer cover portion 2 that surrounds 1. When heater 3 operatesMolding room1 is heated, and when a pump (not shown) is operated to flow water into the water-cooled pipe 4.Molding room1 is cooled. A programmable controller (PLC) 5 controls the operation of the heater 3 and the pump.Molding room1 can be heated and cooled to a predetermined temperature,Molding roomIt is also possible to change the speed of temperature change of 1.
[0033]
  Molding room1 includes a fixed-side template 6 attached to the fixed shaft 7 and an operating-side template 9 attached to the moving shaft 10. Here, the fixed side template 6 and the fixed shaft 7 do not move, but the moving shaft 10 moves in a direction approaching or moving away from the fixed side template 6 by operating a driving device (not shown). In accordance with the movement, the working side template 9 also moves in that direction. The PLC 5 also controls the operation of the driving device, and can move the working side template 9 in the above-described direction and can maintain a stopped state at a desired position.
[0034]
An upper die 8 is attached to the fixed side template 6, and a lower die 11 is attached to the working side die 9 so as to face the upper die 8. In FIG. 1, a molding material 12, which is a glass material preformed in a cylindrical shape, is placed on the molding surface of the lower mold 11. Thereafter, the heater 3 is operated to bring the material 12 to be heated and softened, and the above-described driving device is operated to move the lower mold 11 upward to face the molding surface of the upper mold 8 facing each other. The optical element is molded by pressurizing (pressing) the cylindrical surface of the molding material 12 until the molding surface of the mold 11 abuts, and then cooling and curing the molding material 12.
[0035]
As can be seen by referring to the shapes of the molding surfaces of the upper die 8 and the lower die 11 shown in FIG. 1, the optical element formed at this time has a triangular prism shape with one concave side surface. It becomes a glass prism (one-sided spherical prism). The reason why the material 12 that is preformed in a cylindrical shape is used as the material to be molded 12 in this embodiment is that a prism having a prism shape can be formed without trapping air between the mold and the glass.
[0036]
The mold contact detection contact 13 provided on the working side mold plate 9 and the fixed side mold plate contact A14 provided on the fixed side mold plate 6 so as to oppose this constitute a contact sensor. The contact between 8 and the lower mold 11 is detected. When the lower die 11 rises and the upper die 8 and the lower die 11 come into contact with each other, the die contact detection contact 13 and the fixed mold plate contact A14 come into contact with each other and short-circuit, and current flows from the battery A15 to the coil in the relay A16. Flows. At this time, the two contacts in the relay A16 are brought into contact with each other by the magnetic force generated in the coil, so that the two wires connecting the respective contacts and the PLC 5 are electrically connected, so that the lower mold 11 comes into contact with the upper mold 8. It is detected by the PLC 5 that it has been reached.
[0037]
The mold proximity detection contact 17 provided on the working-side template 9 and the fixed-side template contact B18 provided on the fixed-side template 6 opposite thereto constitute a contact sensor. It is detected that the distance between the mold 8 and the lower mold 11 has approached a predetermined interval. When the upper mold 8 and the lower mold 11 approach each other to a predetermined distance, the mold proximity detection contact 17 and the fixed-side mold plate contact B18 come into contact with each other to short-circuit, and a current flows from the battery B19 to the coil in the relay B20. At this time, when the two contacts in the relay B20 come into contact with each other by the magnetic force generated in the coil, the two wires connecting the respective contacts and the PLC 5 are electrically connected, so that the lower mold 11 is separated from the upper mold 8 by a predetermined distance. It has been detected by the PLC 5 that it has reached a position far away from it.
[0038]
When the upper die 8 and the lower die 11 are further brought closer after the die proximity detection contact 17 and the fixed die plate contact B18 come into contact with each other, the die proximity detection contact 17 is projected to a predetermined position protruding from the working side die 9. Since the coil spring 21 holding the die is compressed and the die proximity detection contact 17 is accommodated inside the working side die plate 9, the upper die 8 and the lower die 11 can be brought into contact with each other.
[0039]
The displacement sensor 22 is a sensor that measures the distance between the upper mold 8 and the lower mold 11 and gives the value to the PLC 5. Here, a linear scale used for position detection is used.
Next, the procedure of the optical element molding method embodying the present invention performed using the molding apparatus shown in FIG. 1 will be described.
[0040]
First, FIG. 2 will be described. This figure is a diagram showing a state of control of the molding apparatus shown in FIG. The graph shown in the figure shows, in order from the top, the temperature change of the material 12 to be molded, the change in the press pressure on the material 12 to be molded by the upper die 8 and the lower die 11, and the change in the position of the lower die 11. The horizontal axis indicates the passage of time. In the present embodiment, the PLC 5 performs heating / cooling / pressing on the material 12 and control of the position of the lower mold 11.
[0041]
Before starting the process shown in FIG. 2, the lower mold 11 is lowered, and the material 12 to be molded is placed on the molding surface of the lower mold 11. Note that the position of the lower mold 11 at this time is the position of “displacement 0”. At this time, since the material 12 to be molded is not in contact with the upper mold 8, the pressing force is naturally “0”.
[0042]
  First, in the period of FIG. 2A (nitrogen replacement period), in order to prevent the molding material 12 from being oxidized in a later step,Molding roomNitrogen is sent into 1 to discharge air (oxygen).
  Molding roomWhen the inside of 1 has a sufficient nitrogen atmosphere, the control shifts to the period (b) (heating period), and the PLC 5 operates the heater 3.Molding room1 is heated to a temperature Ta slightly higher than the yield point temperature At. Here, the yield point temperature refers to a temperature at which thermal expansion does not occur when the glass material that is the material to be molded 12 is heated, and contraction starts when heated further.
[0043]
  After moving to period (b)Molding roomWhen a sufficient time has passed so that it can be considered that the temperature of 1 has reached Ta, the control shifts to the period (c) (soaking period), and the PLC 5 controls the operation of the heater 3 to set the temperature Ta at this time. The material to be molded 12 is made uniform at the temperature Ta throughout.
[0044]
When a sufficient time has passed so that it can be considered that the material to be molded 12 has reached the temperature Ta throughout the period after the period (c), the control proceeds to the period (d) (filling period), and the PLC 5 is a heater. 3, while continuing the operation control of 3 and maintaining the temperature of the molding material 12 at this time with Ta, the operation of the driving device (not shown) is started to raise the lower die 11, and the lower die 11 and the upper die 8 The material to be molded 12 is pressed and deformed with a constant press pressure Pa.
[0045]
When the molding material 12 is deformed by this pressurization, the working side mold plate 9 gradually approaches the fixed side mold plate 6 and eventually the mold proximity detection contact 17 and the fixed side mold plate contact B18 come into contact with each other. In FIG. 2, the position of the lower mold 11 when the mold proximity detection contact 17 and the fixed-side mold plate contact B18 first contact each other is indicated as “displacement A”. In addition, the to-be-molded material 12 at this time does not have a shape desired as an optical element as a finished product, and has a wall thickness (the above-described set wall thickness) thicker than the desired one. Yes.
[0046]
  When this contact is detected, the control shifts to the period (e) (first slow cooling period), and the PLC 5 controls the operation of the heater 3 while maintaining the pressurization pressure Pa on the material 12 to be molded. do itMolding roomThe heating amount of 1 is gradually reduced. Then, the material 12 to be molded is gradually cooled, and the temperature gradually falls below the yield point temperature At from Ta, so that the force of pressing the lower mold 11 and the upper mold 8 due to thermal expansion is weakened. The position further rises from “Displacement A”.
[0047]
  afterwards,Molding roomWhen the heating amount of 1 continues to decrease and the force decreases due to thermal expansion of the material 12 to be molded, and the position of the lower mold 11 that continues to rise reaches “displacement B” in FIG. 2, the lower mold 11 and the upper mold 8 is detected by the PLC 5 by a short circuit between the mold contact detection contact 13 and the fixed-side template contact A14. When the lower mold 11 and the upper mold 8 come into contact with each other, the shape of the material 12 to be molded is a desired thickness and shape as an optical element as a finished product.
[0048]
Note that the working side template 9 of the mold proximity detection contact 17 is previously set so that the temperature of the molding material 12 when this contact occurs is within the range of the yield point temperature At and below the transition point temperature Tg. Set the amount of protrusion from. Here, the transition point temperature is a value representing a temperature range in which the glass material that is the molding material 12 is transitioned from an elastic state to a viscoelastic state when heated, and specifically, the glass material is in an elastic state. The temperature at the intersection of the thermal expansion line indicating the rate of thermal expansion with respect to the temperature change when the glass material is in the state and the thermal expansion line indicating the rate of thermal expansion with respect to the temperature change when the glass material is in the viscoelastic state. Therefore, when the lower mold 11 and the upper mold 8 are in contact with each other, it can be said that the molding material 12 is in a viscoelastic state.
[0049]
  When the contact between the lower mold 11 and the upper mold 8 is detected, the control shifts to the period (f) (distortion removal period), and the PLC 5 controls the operation of the heater 3.Molding room1 is slightly increased to maintain the molding material 12 at the temperature Tb when the lower mold 11 and the upper mold 8 come into contact with each other, and the operation of a driving device (not shown) is controlled to control the molding material 12. Is continuously pressed with a press pressure Pb smaller than the press pressure Pa described above to maintain the state in which the lower die 11 and the upper die 8 are in contact with each other. By this step, the distortion in the material to be molded 12 that becomes a deterioration factor of the optical characteristics when it remains in the molded optical element is released.
[0050]
  When a sufficient time has passed so that it can be considered that the internal strain of the material to be molded 12 has been released after the period (f), the control proceeds to the period (g) (second slow cooling period), and the PLC 5 is a heater. Control the movement of 3Molding roomThe molding material 12 is gradually cooled by gradually decreasing the heating amount of 1 again so that the temperature is lower than the transition temperature Tg. At this time, the abutting state between the lower mold 11 and the upper mold 8 is maintained, but the force of pressing the lower mold 11 and the upper mold 8 due to thermal expansion gradually decreases by lowering the temperature of the material 12 to be molded. Therefore, in accordance with this, the operation of the driving device (not shown) is controlled so that the press pressure for maintaining the contact state between the lower mold 11 and the upper mold 8 is gradually reduced from the aforementioned value Pb.
[0051]
  When a sufficient time has passed so that it can be considered that the temperature of the material 12 to be molded has fallen below the transition temperature Tg after the period (g), the control proceeds to the period (h) (quenching period), and the PLC 5 is a heater. 3 is stopped and a pump (not shown) is operated to flow water into the water-cooled pipe 4.Molding room1 is rapidly lowered to control the material 12 to be rapidly cooled. Also at this time, in order to maintain the contact state between the lower mold 11 and the upper mold 8, pressurization is continued with a very weak press pressure that maintains the elasticity of the material 12 to be molded.
[0052]
Thereafter, when a sufficient time has passed so that it can be considered that the temperature of the material 12 to be molded has been cooled to a level where it can be taken out after the period (h), the control proceeds to the period (i), and the PLC 5 is not activated. The operation of the illustrated pump is controlled to discharge water in the water cooling pipe 4. Subsequently, the control shifts to the period (j), and the operation of a driving device (not shown) is controlled to lower the lower mold 11 to the position of “displacement 0” which is the initial position. The material 12 is taken out to complete a series of molding.
[0053]
The above procedure is the optical element molding method for carrying out the present invention. In addition, when implementing the shaping | molding method mentioned above, the displacement sensor 22 shown in FIG. 1 is not necessarily required.
By the way, in the slow cooling of the molding material 12 in the first slow cooling period (period (e) of FIG. 2) in the above-described molding method, the amount of protrusion of the mold proximity detection contact 17 from the working side mold plate 9 is set in advance. By setting, the temperature Tb of the material 12 to be molded when the lower mold 11 and the upper mold 8 are in contact with each other is included in the range of the yield point temperature At or lower and the transition point temperature Tg or higher. I was doing. However, in this control, since the temperature is lowered regardless of the degree of deformation of the molding material 12, the mold proximity detection contact 17 and the mold proximity detection contact 17 are caused by variations in the molding material 12 itself and temperature variations around the molding apparatus. There may be variations in the time from when the fixed mold plate contact B18 comes into contact with when the lower mold 11 and the upper mold 8 come into contact. This variation can cause variations in the cycle time during molding and can cause variations in the optical characteristics of the optical element after molding. In order to cope with this problem, it is preferable to control the cooling rate of the molding material 12 based on the degree of deformation of the molding material 12. Hereinafter, this control method will be described with reference to FIG.
[0054]
FIG. 3 shows the temperature change (temperature change from point C to point D) of the molding material 12 in the vicinity of the period (e) (first slow cooling period) of the control state shown in FIG. The change in the position of the mold 11 (change in the position from the displacement A to the displacement B) is shown in an enlarged manner.
[0055]
  (1) in FIG. 3 shows a case where the temperature change speed of the material 12 to be molded varies, and the contact between the mold proximity detection contact 17 and the fixed mold plate contact B18 at point A in FIG. The PLC 5 controls the operation of the heater 3 by being detected.Molding roomAlthough the heating amount of 1 is decreased at a constant rate, the rate of temperature decrease of the molding material 12 varies (from the change of graph C → D-1 to the change of graph C → D-2 in the figure). As a result, the time of contact between the lower mold 11 and the upper mold 8 varies in the range from point B-1 to point B-2 in the figure, and the length of the first slow cooling period is also ( It varies from e) -1 to (e) -2.
[0056]
Therefore, in order to cope with such a case, the PLC 5 detects the contact between the mold proximity detection contact 17 and the fixed mold plate contact B18 between the lower mold 11 and the upper mold 8 when the contact is detected. The measurement of the distance is started, and the measurement result is sequentially acquired from the displacement sensor 22. Further, the PLC 5 has a space between the lower mold 11 and the upper mold 8 in a period from the contact between the mold proximity detection contact 17 and the fixed mold plate contact B 18 to the contact between the lower mold 11 and the upper mold 8. Table data indicating an appropriate relationship between the distance and the elapsed time from the contact between the die proximity detection contact 17 and the fixed-side template contact B18 is prepared in advance.
[0057]
  Here, the distance between the lower mold 11 and the upper mold 8 measured by the displacement sensor 22 when a certain period of time has elapsed from the contact between the mold proximity detection contact 17 and the fixed-side mold plate contact B18 is the table described above. When the distance is shorter than the distance indicated in the data, the PLC 5 controls the operation of the heater 3 to reduce the rate of reduction of the heating amount of the molding chamber 1 and to moderate the rate of temperature decrease of the molding material 12. On the other hand, when the distance between the lower mold 11 and the upper mold 8 measured by the displacement sensor 22 is longer than the distance indicated in the table data described above, the PLC 5 controls the operation of the heater 3.Molding roomThe rate of temperature decrease of the material to be molded 12 is increased by increasing the rate at which the heating amount of 1 is decreased. That is, the distance between the lower mold 11 and the upper mold 8 is regarded as the degree of deformation of the molding material 12, and the PLC 5 is controlled to control the cooling speed of the molding material based on this distance.
[0058]
As a result, the speed of the temperature change of the material 12 to be molded can be made constant (change of graph C → D in the figure) as shown in FIG. The time of contact between the lower mold 11 and the upper mold 8 is always set to point B in the figure, and the length of the first slow cooling period can be stabilized at (e), which is caused by the above-described variation. Variation in optical characteristics of the optical element after molding due to variation in cycle time is suppressed.
[0059]
FIG. 4 shows experimental data when the molding method according to the present invention described above is performed.
In FIG. 4, (1-1) and (1-2) are data of an experiment in which the press pressure Pa in the pressurization to the molding material 12 in the filling period (period (d) in FIG. 2) is changed. (2-1) and (2-2) are experimental data obtained by changing the press pressure Pb in pressurizing the material 12 during the strain removal period (period (f) in FIG. 2), and (3-1) ) And (3-2) show experimental data in which the temperature Tb of the molding material 12 held in the strain removal period (period (f) in FIG. 2) is changed, and (4) shows these data. It is a figure for demonstrating the measuring object in experiment.
[0060]
First, experimental conditions will be described.
In this experiment, a single-sided spherical prism of 7.5 × 7.5 × 12.0 [mm] is manufactured by the above-described molding method. Among the 100 prisms manufactured under each condition, The number of determined items is counted.
[0061]
In this experiment, a glass material having a transition temperature Tg = 506 ° C. and a yield temperature At = 538 ° C. was used.
Here, regarding the quality determination of the prism, a product having a PV value of 0.2 μm or less on the measurement surface shown in FIG. The PV (Peak-to-Valley) value indicates the amount of deviation of the measurement surface from the design value in the normal direction of the surface. In addition, the plane shown in FIG. 4 (4), that is, the plane formed by the lower mold 11 is selected as the measurement plane as the object for determining the quality of the prism. This is because it appears most prominently.
[0062]
First, (1-1) and (1-2) will be described. In the graph shown in (1-1), the horizontal axis indicates the magnitude of the press pressure Pa, the vertical axis indicates the PV value, and the average value and the maximum value of the PV value of each prism when Pa is a certain value. The minimum value is shown. The table shown in (1-2) shows the number of 100 prisms that are determined to be non-defective based on the above-described pass / fail determination conditions among the 100 prisms manufactured when Pa is a certain value.
[0063]
Referring to (1-1) and (1-2), when the value of Pa is between 10 MPa (megapascal) and 40 MPa, 90% or more of the manufactured prisms are non-defective products, and the case is out of the range. It was found that outstanding results were obtained compared to the yield rate. Here, when Pa falls below the range of this value, a lot of sink marks occur, and when Pa exceeds this value, a lot of burn-in occurs.
[0064]
Next, (2-1) and (2-2) will be described. In the graph shown in (2-1), the horizontal axis indicates the magnitude of the press pressure Pb, the vertical axis indicates the PV value, and the average value and the maximum value of the PV value of each prism when Pb is a certain value. The minimum value is shown. Further, the table shown in (2-2) shows the number of 100 prisms that are determined to be non-defective based on the above-described pass / fail determination conditions among the 100 prisms manufactured when Pb is set to a certain value.
[0065]
Referring to (2-1) and (2-2), if the value of Pb is also between 10 MPa and 40 MPa, 90% or more of the manufactured prisms are non-defective products, It was found that outstanding results were obtained in comparison. Here, when Pb falls below this value range, a lot of sink marks occur, and when Pb exceeds this value, a lot of burn-in occurs.
[0066]
From the above, it can be said that the values of Pa and Pb are preferably between 10 MPa and 40 MPa in terms of improving the molding accuracy of the optical element.
Next, (3-1) and (3-2) will be described. In the graph shown in (3-1), the horizontal axis indicates the value of the holding temperature Tb, the vertical axis indicates the PV value, and the average value, the maximum value, and the minimum value of the PV value of each prism when Tb is a certain value. The value is shown. The table shown in (3-2) indicates the number of 100 prisms that are determined to be non-defective based on the above-described pass / fail determination conditions among the 100 prisms manufactured when Tb is set to a certain value.
[0067]
Referring to (3-1) and (3-2), the value of Tb is between 506 ° C. and 522 ° C., that is, the transition point temperature Tg or more, and the yield point temperature Tg and the transition point temperature At 90% or more of the manufactured prisms are non-defective when the temperature is exactly the intermediate temperature (Tg− (At−Tg) × 0.5) or less, and the result is markedly superior to the non-defective rate when the prism is out of the range. Was found to be obtained. Here, when Tb is less than this value range, many cracks are generated, and when Tb is more than this value, the area degree is often deteriorated.
[0068]
From the above, it can be said that the value of Tb is preferably not less than the transition point temperature Tg and not more than the intermediate temperature between the yield point temperature Tg and the transition point temperature At in terms of improving the molding accuracy of the optical element. .
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
[0069]
For example, in the above-described embodiment, the heating, cooling, and pressurization control for the material to be molded 12 is realized by the PLC 5, but a CPU (Central Processing Unit) provided in the computer performs these controls. This program may be created and executed by causing the CPU to execute the program.
[0070]
In the above-described embodiment, the displacement sensor 22 measures the distance between the lower mold 11 and the upper mold 8. However, since the upper mold 8 is fixed in this embodiment, the displacement sensor 22 22 may measure the displacement of the lower mold 11 and calculate the distance between the lower mold 11 and the upper mold 8 from the measurement result. In addition, the measurement result of the displacement sensor 22 may be used to detect contact between the lower mold 11 and the upper mold 8 or to detect that the position of the lower mold 11 has become “displacement A”. Is possible.
[0071]
【The invention's effect】
As described above in detail, the present invention first pressurizes the material that has been softened by being heated to a temperature higher than the yield point temperature of the glass material to be molded itself, thereby reducing the thickness of the material. A set thickness that is thicker than the thickness desired for the optical element, and subsequently maintaining the pressure on the glass material to be molded while keeping the material below the yield point temperature and The thickness of the material is formed to the desired thickness by cooling until the temperature reaches the transition temperature of the material itself.
[0072]
Thus, according to the present invention, there is an effect that the molding accuracy of the optical element to be formed is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a molding apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing how the molding apparatus shown in FIG. 1 is controlled.
FIG. 3 is a diagram showing a state of cooling control.
FIG. 4 is a diagram showing experimental data when a molding method according to the present invention is performed.
[Explanation of symbols]
1 Molding room
2 outer cover
3 Heater
4 Water-cooled pipe
5 Programmable controller
6 Fixed side template
7 Fixed shaft
8 Upper mold
9 Working side template
10 Movement axis
11 Lower mold
12 Molding material
13 type contact detection contact
14 Fixed side template contact A
15 Battery A
16 Relay A
Type 17 proximity detection contact
18 Fixed side plate contact B
19 Battery B
20 Relay B
21 Coil spring
22 Displacement sensor

Claims

被成形ガラス素材を一対の成形型によって加圧成形して光学素子とする光学素子の成形方法において、
被成形ガラス素材自身の屈伏点温度よりも高い温度に加熱されて軟化している該素材を前記一対の成形型で加圧して、該素材の肉厚を光学素子として所望されている肉厚よりも厚い肉厚である設定肉厚とする加圧工程と、
前記被成形ガラス素材への前記加圧を維持しながら該素材を前記屈伏点温度以下であって且つ該素材自身の転移点温度以上に冷却するまでに該素材の肉厚を前記所望されている肉厚に成形すると共に、前記素材の肉厚が前記設定肉厚になった時点からの経過時間およびそのときの前記一対の成形型間の距離に基づいて前記素材の温度を制御することで、前記素材の肉厚が前記設定肉厚から前記所望されている肉厚になるまでの時間を一定とする冷却成形工程と、
を含むことを特徴とする光学素子の成形方法。 In a method for molding an optical element, which is an optical element formed by pressure-molding a glass material to be molded with a pair of molds,
It pressurizes said workpiece being softened by being heated to a temperature higher than the yield point temperature of the glass molding material itself by the pair of molds, than the thickness that is desired the thickness of said workpiece as an optical element A pressurizing step to set a thick wall thickness,
The thickness of the material is desired until the material is cooled below the yield point temperature and above the transition temperature of the material itself while maintaining the pressurization on the glass material to be molded. By forming the thickness, and controlling the temperature of the material based on the elapsed time from the time when the thickness of the material has reached the set thickness and the distance between the pair of molding dies at that time, A cooling molding step in which the time until the thickness of the material reaches the desired thickness from the set thickness is constant ;
A method for forming an optical element, comprising:

前記冷却成形工程においては、前記被成形ガラス素材の温度が前記屈伏点温度と前記転移点温度との中間以下の温度に達したときに該素材の温度を保持しながら該素材前記所望の肉厚に成形することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形方法。 In the cooling and forming step, the desired thickness of the material while maintaining the temperature of the material when the temperature of the glass material to be molded reaches a temperature below the middle of the yield point temperature and the transition temperature. The method for molding an optical element according to claim 1, wherein the molding is performed.

前記加圧工程において、前記被成形ガラス素材の肉厚が前記設定肉厚になったことの判定は、前記成形型の位置を検出するセンサの出力に基づいて行われることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子の成形方法。The determination that the thickness of the glass material to be molded has reached the set thickness is performed based on an output of a sensor that detects a position of the mold, in the pressing step. 3. A method for molding an optical element according to 1 or 2 .

前記冷却成形工程において、前記被成形ガラス素材の肉厚が前記所望されている肉厚に成形されたことの判定は、対向している一対の前記成形型の当接の検出に基づいて行われることを特徴とする請求項１から３までのうちのいずれか一項に記載の光学素子の成形方法。In the cooling molding step, the determination that the thickness of the glass material to be molded has been molded to the desired thickness is made based on detection of contact between the pair of molds facing each other. The method for molding an optical element according to any one of claims 1 to 3, wherein:

被成形ガラス素材を加圧成形して光学素子とする光学素子の成形装置において、
加熱軟化している被成形ガラス素材を加圧して成形する対向している一対の成形型と、
前記一対の成形型間の距離が所定の間隔にまで接近し、前記素材の肉厚が光学素子として所望されている肉厚よりも厚い肉厚である設定肉厚になったことを検出する型接近検出手段と、
前記一対の成形型間の距離が所定の間隔にまで接近し、前記素材の肉厚が前記所望されている肉厚になったことを検出する型当接検出手段と、
前記型接近検出手段の検出から前記型当接検出手段の検出までの時間を一定とするために、前記型接近検出手段の検出からの経過時間およびそのときの前記一対の成形型間の距離に基づいて前記素材の温度を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。 In an optical element molding apparatus that press-molds a glass material to be molded into an optical element,
A pair of opposing molds that press and mold a glass material to be molded that has been softened by heating; and
A mold for detecting that the distance between the pair of molds approaches a predetermined distance, and that the thickness of the material has reached a set thickness that is thicker than the thickness desired for the optical element. An approach detection means;
A mold contact detection means for detecting that the distance between the pair of molds is close to a predetermined distance and that the thickness of the material has reached the desired thickness;
In order to make the time from the detection of the mold approach detection means to the detection of the mold contact detection means constant, the elapsed time from the detection of the mold approach detection means and the distance between the pair of molds at that time Temperature control means for controlling the temperature of the material based on ;
An optical element molding apparatus comprising:

前記対向している一対の成形型間の距離を測定する距離測定手段を更に有することを特徴とする請求項５に記載の光学素子の成形装置。6. The optical element molding apparatus according to claim 5 , further comprising distance measuring means for measuring a distance between the pair of opposing molds.