JP2005126258A - 光学素子の成形用型 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子などの成型用型がガラス材料からなるものでは、光学素子の成形時に被成形ガラスの加熱・冷却に時間を要するため、生産性が悪いといった課題がある。
【解決手段】ガラスよりなる成形用型に、その成型用型の熱伝導率よりも大きい熱伝導率材料からなる軸状部材を一体に設け、その軸状部材の一部が光学素子の成形時にプレスヘッドに接触するようにしたことにより、被成形ガラスの加熱・冷却がスムーズに行われるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズやプリズムなどの光学素子を成形する光学素子の成形用型に関する。

一般にレンズやプリズムといった光学素子を得るためには、一対の成形用型間に光学素子の成形材料を配置し、成形用型と成形材料とを加熱し、成形材料を押圧して成形する方法が行われている。

従来、このような成形用型、特に非球面レンズなどを成形するための成形用型は、型素材となる超硬合金などを高剛性の超精密ＣＮＣ旋盤などにより超精密に切削・研削を行い、必要に応じて表面を研磨することによって作製されていた。しかし、成形用型をガラス素材で成形するという提案が例えば特許文献１から特許文献３に開示されている。これは超硬合金などを超精密加工した成形母型を用いて、ガラス素材を熱間で押圧成形し、ガラス材からなる成形用型を製造するものである。

図６は従来から実施されているガラス材料からなる成形用型を用いて光学素子を成形する成形工程の一例を示している。

まず、図６（ａ）に示すように、上ガラス成形用型２０をガイドする胴型２１に下ガラス成形用型２２、光学素子を成形する被成形ガラス２３、上ガラス成形用型２０を入れ、これらを加熱ヒータ２４ａ、２４ｂが埋設された下プレスヘッド２５上に置く。被成形ガラス２３を十分高温に加熱した後、図６（ｂ）のように、加熱ヒータ２６ａ、２６ｂが埋設された上プレスヘッド２７を降下させ、図６（ｃ）のように、上記成形用型２０、２２の成形面により被成形ガラス２３を加圧成形して光学素子を得る。

この場合、上プレスヘッド２７を無加重の状態で上ガラス成形用型２０に接触させ、被成形ガラス２３が十分高温になった後に上プレスヘッド２７により上ガラス成形用型２０を加圧して光学素子を成形することが好ましい。被成形ガラス２３の温度がまだ十分に高くない状態で上プレスヘッド２７により加圧すると被成形ガラス２３がガラス成形用型２０、２２にダメージを与える可能性がある。
特開平０１−０３３０２２号公報 特開平０２−２６７１２９号公報 特開平１１−２１７２２７号公報

しかしながら、上記において被成形ガラス２３を加熱する場合、ガラスのみからなるガラス成形用型２０および２２では素子成形時の加熱および冷却に比較的長い時間を要し、このため生産性が低下するという課題がある。これはガラス材は一般に熱伝導率が金属に比べて小さいため、超硬合金からなる成形用型にて光学素子を成形するものに比べて加熱や冷却に時間がかかり、光学素子の成形時間が長くなって生産性が低下するという問題を含んでいる。

本発明の成形用型は、ガラスからなる成形型基材に金属や超硬合金などの熱伝導の良好な材料からなる軸状部材を一体に設け、かつその軸状部材の一部がプレスヘッド部に直接接するようにしたことを特徴とし、さらに成形型基材と軸状部材とを凹凸部などの係合部によって結合したことを特徴とするものである。

本発明の成形用型は、光学素子の成形面の形状成形はガラスのみからなる成形用型を製造するのと全く同様に作製することが可能であり、そして光学素子を成形する際には金属や超硬合金などの熱伝導の良好な材料からなる軸状部材を入れたことにより、ガラスのみからなる成形用型よりも加熱および冷却がスムーズに進行し、したがって光学素子の成形時間を短縮することができるものである。

（実施例１）
図１は本発明の一実施例を示す成形用型の断面図である。また、図２はその成形用型の製造工程を示す断面図である。

まず、図１において、１はガラス材料からなる成形型基材２と超硬合金からなる軸状部材３により構成された成形用型である。前記軸状部材３は頭部３ａが前記成形型基材２と同径で軸部３ｂがそれよりも小径のＴ字状からなり、この軸状部材３の軸部３ｂは成形型基材２に形成された凹部２ａにその上方から挿入され、頭部３ａは成形型基材２の上方に位置した状態で一体化されている。

前記成形型基材２の下面、すなわち光学素子成形面には被成形ガラスと成形時に融着しないように離型膜４が形成されている。この離型膜４としては被成形ガラスとの密着性を向上させるために、Ｃｒ膜を介してＰｔ−Ｉｒ膜を１μｍスパッタリングによって形成している。

なお、軸状部材３はその軸部３ｂを成形型基材２の凹部２ａにそのまま挿入してもよいが、密着性を向上させるために少なくとも軸部３ｂの表面にＣｒなどの金属薄膜を形成してもよい。

次に、図２を用いて成形用型１の製造について説明する。内径６ｍｍの胴型５と成形型基材２の光学素子成形面を所定の形状に成形するための成形母型６を組み合わせ、そこに図２（ａ）に示すように円柱状で凹部２ａが形成された成形型基材２を入れる。前記成形型基材２の凹部２ａは軸状部材３の軸部３ｂの直径４ｍｍに対して、３．５ｍｍ径に形成されている。

ここで、成形型基材２はガラス転移温度６９０℃、屈服点７４０℃を持ち、全体を７７０℃に加熱した後、図２（ｂ）に示すように軸状部材３の軸部３ｂを成形型基材２の凹部２ａに挿入するとともに加圧成形によって成形型基材２の下面に成形母型６の形状を転写させる。その後、加圧徐冷した後、成形した成形用型１を取り出し、離型膜４を形成する。

上記の例では、成形型基材２に予め軸状部材３を挿入する凹部２ａを形成したが、この凹部２ａを予め設けずに、加熱軟化した成形型基材２に軸状部材３の軸部３ｂを押し込んで一体化してもよい。

（実施例２）
実施例２として、実施例１の軸状部材３を超硬合金基材に代えてサーメットにより同様の形状に加工したもので、それ以外は実施例１と全く同様にして成形用型１を構成した。

（実施例３）
実施例３として、実施例１の軸状部材３を超硬合金基材に代えてアルミナにより同様の形状に加工したもので、それ以外は実施例１と全く同様にして成形用型１を構成した。

（実施例４）
実施例４として、図３に示すような形状のガラスからなる成形型基材２と軸状部材３から成形用型１を構成したもので、実施例１と異なるところは、軸状部材３は高速度鋼ＳＫＨ２からなる高速度鋼材を加工し、その軸部３ｂにはネジ切りにより凹凸部３ｃを形成し、一方成形型基材２の凹部２ａに前記軸状部材３の凹凸部３ｃに対応した凹凸（ネジ）部２ｂを形成したものである。

この実施例４において、予め軸状部材３の軸部３ｂの凹凸部３ｃを成形型基材２の凹部２ａの凹凸部２ｂに嵌合させた後、図４（ａ）に示すように成形母型６と組み合わせられた胴型５内に入れ、そしてこれを加熱し、図４（ｂ）に示すように加圧成形により成形型基材２に光学素子の成形面を形成し、その後成形面に離型膜を形成することは実施例１と同様である。

なお、上記では軸状部材３の軸部３ｂにネジ切りにより凹凸部を設けたが、軸部３ｂの太さを単に変化させた凹凸部でも同様であり、要は軸状部材３の軸部３ｂと成形型基材２の凹部２ａとがその軸状部材３の挿入方向とは逆方向に抜け止めされる係合部であれば他の形状であってもよい。そしてこの係合部を設けることにより、軸状部材３が成形型基材２から容易に抜け出ることが防止されるものである。

このように、成形用型をガラス材料により製造することにより、光学素子の成形面の形状はもとより、成形用型の外形形状をも胴型５により同時に規制して作製することが可能となる。

次に、実施例１〜４の成形用型１を用いて光学素子を成形した場合の成形時間を、ガラス材のみからなる成形用型を用いて光学素子を成形した場合と比較して説明する。

まず、成形試験について図５を用いて説明する。ガラス材料からなる成形型基材２に軸状部材３が一体化された上成形用型１ａと下成形用型１ｂを用い、下成形用型１ｂを胴型７に嵌め込み、被成形ガラス８を胴型７内に上から入れた後、その上から上成形用型１ａを入れる。ここで使用した被成形ガラス８は住田光学ガラス社製の品番ＰＢＫ−４０（ガラス転移温度５０１℃、屈伏点５４９℃）である。そしてこれらを加熱ヒータ９ａ、９ｂにより５９０℃に加熱した下プレスヘッド１０上に乗せ、同時に加熱ヒータ１１ａ、１１ｂにより５９０℃に加熱した上プレスヘッド１２を図５（ａ）に示すように上成形用型１ａから０．５ｍｍ離れた位置に固定する。この状態で３０秒間保持した後、上プレスヘッド１２を図５（ｂ）に示すように上成形用型１ａに当接させて５０ｋｇｆの荷重を上成形用型１ａにかける。この荷重がかかった状態を保つことにより、被成形ガラス８は変形を開始して図５（ｃ）に示すように光学素子の形状となる。

なお、この成形工程において、上記胴型７内に被成形ガラス８を入れ、かつその上から上成形用型１ａが入れられた試験型を下プレスヘッド１０上への載置から、被成形ガラス８の変形が停止するまでの時間を成形時間とする。

上記実施例１〜４の成形用型１を用いて上記の成形法による光学素子の成形と、全てガラス材料からなる成形用型を用いて同一の方法により光学素子を成形した場合（比較例）の成形時間を表１に示す。なお、成形時間は実施例１の成形用型を用いた場合を「１」とし、その比で他の成形用型を用いた場合の成形時間を表している。

上記表１の結果から、実施例１の成形用型を用いた光学素子の成形時間が最も早く、その次に実施例２、実施例３、実施例４の各成形用型を用いた成形がほぼ同等の成形時間であることが分かる。これらに対して、比較例は最も成形に時間を要しており、これは成形用型が全てガラスからなるため、熱伝導が悪いため温度変化に時間がかかることによると思われる。その点ガラス材よりも熱伝導の良好な軸状部材を入れ、かつその軸状部材の一部がプレスヘッドに接触するようにした各実施例による成形用型は熱伝導が良好となり、それが成形時間の差となったと思われる。

なお、ここでは光学素子の成形後の冷却時間を考慮していないので、実際の成形プロセスではさらに時間差が大きくなることが予想される。

上記の成形時間の違いは、軸状部材３の材料の熱伝導率に依存するところが大きいと考えられるため、その各材料の熱伝導率を表２に示す。

実際の成形では、成形用型だけを通じて被成形ガラス８を加熱しているわけではないので、軸状部材の熱伝導率の差＝成形時間の差とはならない。しかし、その影響を大きく受けていることは間違いない。

なお、軸状部材は成形用型基材の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する他の材料からなるものであっても同じことである。また、上記は成形試験の工程として説明したが、実際の光学素子も同様の工程によって成形される。

このように、ガラス材料からなる成形用型基材に、その成形用型基材の熱伝導率よりも大きい熱伝導率からなる軸状部材を一体に設け、かつ光学素子の成形時に軸状部材をプレスヘッドに接触させるために該軸状部材の一部を成形型基材から突出させたことにより、ガラス成形用型による光学素子の成形時間を短縮でき、生産性が向上するものである。

なお、上記の各実施例では成形用型のガラス材料としてガラス転移温度が比較的高いガラス材料を用いたが、これは結晶化ガラスを用いても何ら問題はない。結晶化ガラスを用いた場合は成形温度を比較的低くすることができる上、成形後の結晶化により高温まで耐熱性が確保できる利点がある。

本発明にかかる光学素子の成形用型は、ガラス成形技術を用いて容易に成形用型を作製できるだけでなく、光学素子の成形においても被成形用ガラスの加熱および冷却が速やかに行え、光学素子の成形時間を短縮できる成形用型として有用である。

本発明の実施例１における成形用型の断面図 本発明の実施例１における成形用型の製造工程を示す断面図 本発明の実施例４における成形用型の組み立て前の断面図 本発明の実施例４における成形用型の製造工程を示す断面図 本発明の成形用型を用いて光学素子を成形する試験工程を示す断面図 従来のガラス成形用型を用いた光学素子の成形工程の一例を示す断面図

符号の説明

１ 成形用型
２ 成形型基材
２ａ 凹部
３ 軸状部材
３ｂ 軸部
３ｃ 凹凸部
５、７ 胴型
６ 成形母型
８ 被成形ガラス

Claims (2)

1. 光学素子の成形温度よりもガラス転移温度が高いガラス材料あるいは結晶化ガラスからなる成形型基材に、その成形型基材の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する材料からなる軸状部材を一体に設け、かつ光学素子の成形時に軸状部材をプレスヘッドに接触させるために該軸状部材の一部を成形型基材から突出させたことを特徴とする光学素子の成形用型。
2. 軸状部材と成形型基材を係合部により係合状態で一体化したことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形用型。

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