JP4951394B2 - 光学素子の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、一対の成形型を用いて成形素材を成形する光学素子の成形方法及びその成形装置に関する。

従来から、光学機器に使用される光学素子を、成形型を用いて一発で高精度に成形する方法が公知である。このような成形方法では、例えば特許文献１に示すように、成形面が凹面でかつ球状のプリフォーム（成形素材）を用いた場合、プリフォームの重心が自然に成形面の中心に向かう効果を利用して位置決めしていた。

一方、プリフォームの重心が自然に中心に向かわない凸状の成形面形状に対しては、下型の成形面にプリフォームを載置した後、位置出し治具を用いて下型の成形面の中心にプリフォームを移動させ、プリフォームの自重によりその位置をキープするようにしていた。
特公平６−２４９９２号公報

しかしながら、位置出し治具を用いる方法では、成形の際に金型が移動するに伴う振動等で、成形前にプリフォームが金型中心からずれてしまうおそれがあった。この場合、軟化したプリフォームがキャビティ内で不均一に流動して必要なレンズ外形が得られなくなる。このため、プリフォームが芯ずれしないように慎重に位置決めしたり、或いは、目標よりも大きめのプリフォームを用い、成形後にレンズの余剰部分を削ったりしていた。

本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、成形型の中心で成形素材を成形可能とした光学素子の成形方法及びその成形装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
成形素材を挟んで対向配置された一対の成形型を用いて前記成形素材を成形する光学素子の成形方法において、
前記成形素材を一方の成形型の成形面に載置し、
前記成形素材が軟化する以前から該成形素材に位置決め部材を当接し、
前記位置決め部材の自重により前記成形素材を前記一対の成形型の中心に移動させて位置決めし、
前記位置決め部材が前記成形素材を位置決めした後、前記一方の成形型に対向する他方の成形型が移動して、加熱軟化された前記成形素材を成形し、前記位置決め部材は途中から移動規制されて前記成形素材から離れる、ことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光学素子の成形方法において、
前記位置決め部材が筒状をなし、その内径側の周縁部が前記成形素材に当接することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の光学素子の成形方法において、
前記位置決め部材が筒状をなし、その内径側の周縁部がテーパ部に形成され、該テーパ部が前記成形素材に当接することを特徴とする。

本発明によれば、成形型の中心で成形素材を成形できるため、位置ずれに起因する成形不良の発生を防止することができる。また、成形型の中心で成形素材の成形ができるため、成形された光学素子には外形不足等の不良が発生しない。このため、成形素材の体積を最小に設定することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。なお、全図を通じて、型セット２０の断面では、位置決め部材３２とストッパ部材３４にのみハッチングを施し、他の部材のハッチングは省略している。
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本実施の形態における光学素子の成形装置の全体構成を示す図である。

この成形装置１０は、型セット２０を挟んで対向配置された上側プレート１２及び下側プレート１４と、上側プレート１２を下側プレート１４に向けて押圧する不図示の加圧装置を有している。上側プレート１２には、上側カートリッジヒータ１６が内蔵されている。下側プレート１４には、下側カートリッジヒータ１８が内蔵されている。

型セット２０は、これら上側プレート１２と下側プレート１４との間に挟持された状態で加熱、成形、冷却が行われる。
型セット２０は、対向配置された上型２２と下型２４、及び上型２２と下型２４を嵌挿する円筒状のスリーブ２６を有している。これら上型２２、下型２４、及びスリーブ２６の材料としては、例えば炭化タングステンなどの合金が使用されている。

上型２２には、下型２４との対向面側に突出する成形軸２２ｂを有し、該成形軸２２ｂの先端には成形面２２ａが形成されている。この成形面２２ａは、対向側に凸形状を有している。また、下型２４には成形面２４ａが形成されている。この成形面２４ａは、対向側に凹形状を有している。このため、成形される光学素子はメニスカスレンズとなる。これら成形面２２ａと成形面２４ａは、離間して、かつ対向して配置されている。そして、成形面２２ａと成形面２４ａとの間に、成形素材（プリフォーム）３０が配置されている。

本実施形態では、この成形素材３０として、球状のガラスプリフォームを用いている。
上型２２の成形軸２２ｂには、鍔付き円筒状の位置決め部材３２が嵌合されている。この位置決め部材３２は、その内径部と外径部、及び鍔部３２ａが軸中心に対して高精度に加工されている。位置決め部材３２の外径部は、後述するストッパ部材３４に精度良く嵌合され、また、鍔部３２ａは、スリーブ２６に精度良く嵌合されている。更に、位置決め部材３２を円筒状としたことで、その内径部に、上型２２の成形軸２２ｂを簡単に嵌挿することが可能となっている。

更に、スリーブ２６の内側で下型２４の成形面２４ａ上には、円筒状のストッパ部材３４が載置されている。このストッパ部材３４は、その下端面が下型２４の成形面２４ａの周囲に載置され、上端面は位置決め部材３２の鍔部３２ａが当接されるようになっている。

なお、本実施形態では、ストッパ部材３４の形状を円筒状としたが、形状はこれに限らない。また、本実施形態では、位置決め部材３２とストッパ部材３４とを別体で形成したが、これらを一体で形成してもよい。

型セット２０を組み立てるには、図１（Ａ）に示すように、下型２４の成形面２４ａ上に成形素材３０を載置し、続いて、下型２４にスリーブ２６を嵌挿する。次に、スリーブ２６の内側で下型２４の成形面２４ａの周囲に、円筒状のストッパ部材３４を配置する。更に、スリーブ２６の内側でかつストッパ部材３４の内周側に位置決め部材３２を嵌入する。

この場合、位置決め部材３２は、その内径側の周縁部３２ｂが成形素材３０の上部に自重によって当接される。また、位置決め部材３２は、ストッパ部材３４の直径方向には移動しない。これにより、成形素材３０は、位置決め部材３２の内径側の周縁部３２ｂとの当接圧が均等となるように、下型２４の成形面２４ａの中心側に移動する。このようにして、成形素材３０の自然な中心位置決めが行われる。

次に、成形素材３０の中心位置決めがなされた状態で、上型２２をスリーブ２６に嵌挿し、かつ上型２２の成形軸２２ｂを、円筒状の位置決め部材３２の内径側に嵌入する。こうして、型セット２０の組み立てを終了する。なお、これらの手順は一例を示すものであり、その順序はこれに限らない。

次いで、この型セット２０を用いて成形するには、成形素材３０を軟化温度まで加熱する。
この場合、上側カートリッジヒータ１６と下側カートリッジヒータ１８に通電し、成形素材３０を加熱軟化する。この間、位置決め部材３２は自重により成形素材３０を押圧している。このため、前述したように、位置決め部材３２はその内径側の周縁部３２ｂが成形素材３０に当接し、成形素材３０は中心位置決めされた状態となる。次いで図１（Ｂ）に示すように、不図示の加圧装置により、上型２２が下型２４に接近するように移動する。上型２２の移動による成形素材３０の肉厚減少に連動して位置決め部材３２も自重により下型２４に接近する方向に移動する。やがて鍔部３２ａがストッパ部材３４上端面に当接する。よって、これ以上、位置決め部材３２は下方に移動することはない。すなわち、位置決め部材３２は移動途中でストッパ部材３４の上端面に当接し、それ以降は成形素材３０に当接しない。

なお、図示しないが、上型２２の移動量を測定するスケールが設けられていて、その測定値により上型２２の移動が制御される。こうして、上型２２の成形面２２ａと、下型２４の成形面２４ａとが成形素材３０に転写される。これにより、製品としての光学素子（メニスカスレンズ）３１が得られる。

本実施形態では、成形終了時において、上型２２と位置決め部材３２との間にはギャップが生じている。よって、上型２２の成形面２２ａが成形素材３０を押圧して光学素子３１が成形される。また、上型２２の成形面２２ａの周囲には、成形素材３０を押圧する部材は何もない。このため、型部材間の隙間に、軟化した成形素材３０の一部が入り込むことはなく、成形された光学素子３１にはバリが発生することがない。

成形が完了したら、型セット２０を冷却し、組み立てた型セット２０を取り外して光学素子３１を取り出す。なお、型セット２０の取り外し順序は、例えば前述した組み立て時の順序と逆の手順で行う。

本実施形態によれば、成形型の中心に成形素材３０を位置決めし、その状態で成形することができるため、成形された光学素子３１に位置ずれは生じない。このため、成形された光学素子３１には、位置ずれに起因する外径不足の不良は発生しない。また、成形型の中心で成形素材３０を成形できるため、成形素材３０の体積を最小に抑えることができる。よって、経済的である。
（変形例）
図２（Ａ）、（Ｂ）は、第１の実施の形態の変形例を示す。なお、第１の実施の形態で示した上側プレート１２及び下側プレート１４は図示を省略している。また、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。

第１の実施の形態では、成形の途中で位置決め部材３２の鍔部３２ａが、ストッパ部材３４の上端面に当接する構成であった。しかし、この変形例では、成形の途中で位置決め部材３２の下面３２ｃが、ストッパ部材３４の上端面に当接する構成となっている。

すなわち、図２（Ａ）に示すように、型セット２０の組み立て時には、下型２４の成形面２４ａに成形素材３０を載置した後、スリーブ２６を嵌挿し、このスリーブ２６の内側にストッパ部材３４を配置する。更に、このストッパ部材３４の上方で、スリーブ２６の内周側に位置決め部材３２を嵌挿する。

この場合、位置決め部材３２は、その内径側の周縁部３２ｂが成形素材３０の上部に自重によって当接される。これにより、成形素材３０は、前記と同様にして、位置決め部材３２の内径側の周縁部３２ｂに均等に当接するように、下型２４の成形面２４ａの中心に移動する。こうして、成形素材３０の中心位置決めが行われる。

なお、この状態では、位置決め部材３２の下面３２ｃは、ストッパ部材３４と非接触状態となっている。次に、上型２２の成形軸２２ｂを、スリーブ２６の内側で、かつ円筒状の位置決め部材３２の内径側に嵌入する。こうして、型セット２０の組み立てが完了する。

次いで、図２（Ｂ）に示すように、成形素材３０が加熱されて軟化すると、不図示の加圧装置により上型２２が下型２４に接近するように移動する。上型２２の移動による成形素材３０の肉厚減少に連動して、位置決め部材３２も自重により下型２４に接近する方向に移動する。やがて位置決め部材３２の下面３２ｃがストッパ部材３４に当接して停止する。さらに上型２２を下型２４に接近するように移動させることで、上型２２の成形面２２ａと、下型２４の成形面２４ａとが成形素材３０に転写される。

このとき、軟化した成形素材３０の外周部はストッパ部材３４の内周面に当接している。このため、成形素材３０の外周部はストッパ部材３４によって成形される。なお、成形素材３０の上面には当接する部材は存在しない。

本変形例によれば、成形素材３０の上面を除く部分が型部材によって成形される。このため、成形素材３０は上方には規制する部材がないので、バリの発生もなく最終形に近い光学素子３１を得ることができる。このため、光学素子３１において余剰部分を削り取る作業も少なくて済み、更に、成形後のバリを取り除く等の作業も不要となる。
（第２の実施の形態）
図３（Ａ）、（Ｂ）は、第２の実施の形態における成形装置の全体構成を示す。なお、第１の実施の形態で示した上側プレート１２及び下側プレート１４は図示を省略している。また、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。

本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、ストッパ部材３４の長さを短くしている。このため、位置決め部材３２の移動規制はなくなっている。また、位置決め部材３２の下面は、上型２２の成形面２２ａとともに成形素材３０を成形する成形面を形成している。

図３（Ａ）に示すように、型セット２０の組み立て時には、前記と同様にして、成形素材３０を下型２４の成形面２４ａに載置した後、スリーブ２６を嵌挿し、このスリーブ２６の内側にストッパ部材３４を配置する。更に、このストッパ部材３４の内周側に位置決め部材３２を嵌入する。この場合、位置決め部材３２は、その内径側の周縁部３２ｂが成形素材３０の上部に自重によって当接される。

これにより、成形素材３０は、位置決め部材３２の内径側の周縁部３２ｂに均等に当接するように、下型２４の成形面２４ａの中心側に移動する。こうして、成形素材３０の中心位置決めが行われる。

次に、成形素材３０の中心位置決めが行われた状態で、上型２２をスリーブ２６に嵌挿し、上型２２の成形軸２２ｂを、円筒状の位置決め部材３２の内径側に嵌入する。こうして、型セット２０の組み立てが完了する。

次いで、この型セット２０を用いて成形するには、成形素材３０を軟化温度まで加熱する。
すなわち、上側カートリッジヒータ１６と下側カートリッジヒータ１８に通電し、成形素材３０を加熱軟化する。次いで図３（Ｂ）に示すように、不図示の加圧装置により、上型２２が下型２４に接近するように移動する。上型２２の移動による成形素材３０の肉厚減少に連動して、位置決め部材３２は自重により周縁部３２ｂが均等に成形素材３０に当接した状態で移動する。

さらに上型２２が移動すると、移動途中で鍔部３２ａが上型２２に当接し、それ以降は上型２２と位置決め部材３２は一体で下降する。なお、上型２２には移動量を測定する不図示のスケールが設けられていて、その測定値により上型２２の移動が制御され、成形素材３０が所望の肉厚になるように押圧して停止する。これと同時に、位置決め部材３２の下面３２ｃも、成形素材３０の周囲の上面に当接して該成形素材３０を成形する。

こうして、下型２４の成形面２４ａ、上型２２の成形面２２ａ、位置決め部材３２の下面３２ｃ、及びストッパ部材３４の内周面が成形素材３０の全面を押圧する。そして、これらの成形面が成形素材３０に転写される。これにより、製品としての光学素子（メニスカスレンズ）３１が得られる。

なお、成形が完了した状態では、位置決め部材３２の上面は上型２２に当接され、位置決め部材３２の鍔部３２ａは、ストッパ部材３４との間に所定のギャップが形成されている。

本実施形態によれば、光学素子３１の外周部及び上面を含む全ての面を成形することができる。これにより、目的とする最終形に近い光学素子３１が得られる。よって、成形された光学素子３１の削り量は少なくて済む。
（第３の実施の形態）
図４（Ａ）、（Ｂ）は、第３の実施の形態における成形装置の全体構成を示す。なお、第１の実施の形態で示した上側プレート１２及び下側プレート１４は図示を省略している。また、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。

本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、位置決め部材３２の形状が相違している。すなわち、位置決め部材３２の内径側がテーパ部３２ｄに形成されている。また、成形素材３０の形状と、下型２４の成形面２４ａの形状が相違している。

すなわち、上型２２の成形面２２ａは、対向側に凸形状を有し、下型２４の成形面２４ａは、対向側に凸形状を有している。このため、成形される光学素子は両凹レンズとなる。これら成形面２２ａと成形面２４ａは、離間して、かつ対向して配置されている。そして、成形面２２ａと成形面２４ａとの間に、成形素材３０が配置されている。

この成形素材３０は、円柱状のガラスプリフォームである。円柱状のガラスプリフォームは、主としてコストが安いために多用されている。
型セット２０を組み立てるには、図４（Ａ）に示すように、成形素材３０を下型２４の成形面２４ａに載置した後、スリーブ２６を嵌挿し、このスリーブ２６の内側にストッパ部材３４を配置する。更に、このストッパ部材３４の内周側に位置決め部材３２を嵌挿する。

この場合、位置決め部材３２は、その内径側のテーパ部３２ｄが成形素材３０の上部に自重によって当接される。このため、成形素材３０は、そのエッジ部が位置決め部材３２の内径側のテーパ部３２ｄの斜面に均等に当接するように、下型２４の成形面２４ａの中心側に移動する。

次に、成形素材３０の中心位置決めがなされた状態で、上型２２をスリーブ２６の内側に嵌挿し、上型２２の成形軸２２ｂを、円筒状の位置決め部材３２の内径側に嵌入する。こうして、成形素材３０の中心位置決めが行われ、組み立てが完了する。

次いで、この型セット２０を用いて成形するには、成形素材３０を軟化温度まで加熱する。
すなわち、上側カートリッジヒータ１６と下側カートリッジヒータ１８に通電し、成形素材３０を加熱軟化する。次いで図４（Ｂ）に示すように、不図示の加圧装置により、上型２２が下型２４に接近するように移動する。このとき、上型２２の移動による成形素材３０の肉厚減少に連動して、位置決め部材３２は自重によりテーパ部３２ｄの斜面が成形素材３０に当接した状態で移動する。

さらに上型２２が移動すると、位置決め部材３２は鍔部３２ａがストッパ部材３４の上端面に当接する。よってこれ以上、位置決め部材３２は下方に移動することはない。
すなわち、位置決め部材３２は成形開始からしばらくは下降するが、移動途中でストッパ部材３４に当接し、それ以降は成形素材３０に接触しない。

なお、上型２２には移動量を測定する不図示のスケールが設けられていて、その測定値により上型２２の移動が制御される。
上型２２の移動により、上型２２の成形面２２ａは、成形素材３０をその中心厚さとなるように押圧して停止する。こうして、成形素材３０は上型２２の成形面２２ａと下型２４の成形面２４ａによって成形される。なお、位置決め部材３２のテーパ部３２ｄは成形素材３０には接触していない。

こうして、下型２４の成形面２４ａと上型２２の成形面２２ａが成形素材３０に転写され、製品としての光学素子（凹レンズ）３１が得られる。なお、成形が終了した状態では、上型２２と位置決め部材３２間にはギャップが形成されている。

本実施形態によれば、成形型の中心で成形素材３０を成形することができるため、成形された光学素子３１に位置ずれが生じない。このため、光学素子３１には位置ずれに起因する外径不足の不良が生じない。また、上下の成形面２２ａ、２４ａが成形素材３０に転写されるため、得られた光学素子３１にはバリが発生しない。更に、位置決め部材３２の内径側がテーパ部３２ｄに形成されているので、成形素材３０が円柱状である場合の芯出しに有効である。

第１の実施の形態における成形装置の全体構成を示す図である。 第１の実施の形態の変形例を示す図である。 第２の実施の形態における成形装置の全体構成を示す図である。 第３の実施の形態における成形装置の全体構成を示す図である。

符号の説明

１０ 成形装置
１２ 上側プレート
１４ 下側プレート
１６ 上側カートリッジヒータ
１８ 下側カートリッジヒータ
２０ 型セット
２２ 上型
２２ａ 成形面
２２ｂ 成形軸
２４ 下型
２４ａ 成形面
２６ スリーブ
３０ 成形素材
３１ 光学素子
３２ 位置決め部材
３２ａ 鍔部
３２ｂ 周縁部
３２ｃ 下面
３２ｄ テーパ部
３４ ストッパ部材

Claims (3)

1. 成形素材を挟んで対向配置された一対の成形型を用いて前記成形素材を成形する光学素子の成形方法において、
   前記成形素材を一方の成形型の成形面に載置し、
   前記成形素材が軟化する以前から該成形素材に位置決め部材を当接し、
   前記位置決め部材の自重により前記成形素材を前記一対の成形型の中心に移動させて位置決めし、
   前記位置決め部材が前記成形素材を位置決めした後、前記一方の成形型に対向する他方の成形型が移動して、加熱軟化された前記成形素材を成形し、前記位置決め部材は途中から移動規制されて前記成形素材から離れる、光学素子の成形方法。
2. 前記位置決め部材が筒状をなし、その内径側の周縁部が前記成形素材に当接する
   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。
3. 前記位置決め部材が筒状をなし、その内径側の周縁部がテーパ部に形成され、該テーパ部が前記成形素材に当接する
   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。

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