JP4347460B2

JP4347460B2 - 光学素子成形用金型の加工方法

Info

Publication number: JP4347460B2
Application number: JP23646599A
Authority: JP
Inventors: 卓弥児玉
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2019-08-24
Also published as: JP2001062871A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズなどの光学素子を成形する金型の加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチックレンズの射出成形などに使用される金型は、成形品の寸法精度、光学面の面精度を向上させるための工夫がなされている。例えば、実開平２―１５３２１号公報においては、発熱部材や冷却孔などの温度調整機構を金型内部に設けることにより、金型の温度コントロールを厳密に行って、成形品の加工精度を向上させることが行われている。
【０００３】
また、これに限らず従来においては、金型自体の構造に対して変更や改良を加えることにより、要求される光学素子の精度を満足させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金型の内部構造を変更、改良することは金型の構造が複雑になるため、その製作が容易でなく、高度の技術と長時間を必要としていた。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、内部構造を変更しなくても高精度に光学素子を成形することが可能な金型を容易に製造する光学素子成形用金型の加工方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、光学素子成形用金型を加工するにあたり、成形品に使用する成形材料の既知の成形収縮率に基づいて仮型を作製し、この仮型の光学面の形状を測定する工程と、前記仮型を使用して成形した成形品の光学面の形状を測定する工程と、この成形品の光学面の形状と前記仮型の光学面を相似変形した形状との差を算出すると共に、算出した差であるうねり成分が最小となるように相似変形倍率を求める工程と、目的とする光学素子の光学面の設計形状と前記うねり成分との差を求め、この差に基づいた形状に前記相似変形倍率の逆数を乗じて本型の形状を決定する工程と、決定した形状に一致するように本型を作製する工程とを備えていることとした。
【０００７】
上記構成では、成形材料の成形収縮率に基づいて仮型を作製し、この仮型と、仮型により成形された成形品とを比較して、その結果の計算値から本型を作製することができる。すなわち、成形材料の成形収縮率を見込んで金型の最適な形状を求めるため、高精度の成形が可能な金型を作製することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に適用される装置のブロック図であり、形状測定装置１と、計算処理装置２と、数値制御加工機３とを備えている。
【０００９】
形状測定装置１は、仮型の光学面の形状および仮型によって成形された成形品の光学面の形状を光学的に測定する。計算処理装置２はこの形状測定装置１とデータ通信可能に接続されると共に、出力装置４および入力装置５が接続されている。この計算処理装置２は、後述するように、形状測定装置１からの仮型と成形品との光学面データを比較計算し、この計算値と入力装置５からの入力データとから本型の形状を決定する。この場合における、入力装置５からの入力データは目的とする光学素子の光学面の設計形状等である。また、決定された本型の形状あるいは計算結果等は出力装置４に可視表示または記録表示される。数値制御加工機（ＮＣ加工機）３は、計算処理装置２に接続され、計算処理装置２からの指令により本型および仮型を高精度に作製する。
【００１０】
図２は、本実施の形態に適用されるフローチャートを、図３は、このフローチャートに基づいて計算処理装置２により算出される座標系を示し、以下、これらを参照して本実施の形態を説明する。
【００１１】
一般に、レンズ等の光学素子の軸対称な面形状は、下記の多項式を用いて設計および評価がされる。
【００１２】
ｚ＝（ｙ ^２／ｒ）／｛１＋Ｐ（１−（ｙ／ｒ） ^２） ^１／２｝＋ΣＡ _ｉｙ ^ｉ
ただし、ｚ：光軸方向の座標値
ｙ：面頂を原点とした半径方向の座標値
Ｐ：形状係数
ｒ：基準曲率半径
Ａ_ｉ：各次数項での係数
ｉ：次数
である。
【００１３】
一方、目的の光学素子の光学面の設計値をｒ_ｄ，Ｐ_ｄ，Ａ_ｄｉ（ｒ，Ｐ，Ａは上式と同義）とし、このデータを入力装置５に入力する。
【００１４】
まず、成形に使用される成形材料の既知の成形収縮率に基づいて仮型を作製する。そして、この仮型の光学面の形状を形状測定装置１で測定し、仮型の点列データ（ｙ，ｚｋ）を生成する（ＳＴＥＰ１）。
【００１５】
次に、形状測定装置１から計算処理装置２へ点列データを転送し、計算処理装置２内で多項式に変換する。これにより、仮型形状を表現する特性ｒｋ，Ｐｋ，Ａｋ_ｉが求められる（ＳＴＥＰ２）。
【００１６】
一方、仮型で光学素子を成形し、この成形品の光学面の形状を形状測定装置１で測定して、成形品の点列データ（ｙ，ｚｓ）を生成する（ＳＴＥＰ３）。
【００１７】
次に、仮型形状を相似変形した形状（ｙ，ｚｋ’）を生成する（ＳＴＥＰ４）。これは、前記仮型形状の特性値ｒｋ，Ｐｋ，Ａｋ_ｉと相似変形倍率α（α＜１）を用い次の計算値に基づいて算出する。
ｚｋ’＝（ｙ^２／ｒｋ’）／｛１＋Ｐｋ’（１−（ｙ／ｒｋ’）^２）^１／２｝＋ΣＡｋ_ｉ’ｙ^ｉ
ただし、ｒｋ’＝ｒｋα
Ｐｋ’＝Ｐｋ
Ａｋ_ｉ’＝Ａｋ_ｉ／α^ｉ−１
である。
【００１８】
そして、成形品形状（ｙ，ｚｓ）と仮型の相似変形形状（ｙ，ｚｋ’）の差ｚｓ−ｚｋ’を計算し、この差が最小となるように相似変形倍率αを求める（ＳＴＥＰ５）。
【００１９】
図３（ａ）は、ｚｓ−ｚｋ’を座標に示した特性図であり、斜線部分のうねり成分が最小となるような相似変形倍率αを算出する。そしてこの算出値αをα_ＢＦとする。これは成形材料の成形収縮率を意味する。
【００２０】
このＳＴＥＰ５と併行して、仮型の相似変形形状の特性値ｒ_ＢＦ，Ｐ_ＢＦ，Ａ_ＢＦｉを下式により求める（ＳＴＥＰ６）。
ｒ_ＢＦ＝ｒｋα_ＢＦ，Ｐ_ＢＦ＝Ｐｋ，Ａ_ＢＦｉ＝Ａｋ_ｉ／α_ＢＦ ^ｉ−１
【００２１】
次に、成形品の点列データ（ｙ，ｚｓ）を計算処理装置２により、上記多項式に変換する。この時、基準曲率半径ｒ_Ｓをｒ_ＢＦと等しくする。これにより、成形品形状を表す特性値ｒ_Ｓ（ｒ_Ｓ＝ｒ_ＢＦ），Ｐｓ，Ａｓ_ｉを算出することができる（ＳＴＥＰ７）。
【００２２】
そして図３（ｂ）で示すように、目的の光学素子の光学面の設計値ｒ_ｄ，Ｐ_ｄ，Ａ_ｄｉとうねり成分との差を求め、この差に基づいた形状に相似変形倍率の逆数（すなわち１／α_ＢＦ）を乗じた本型の形状を決定する（ＳＴＥＰ８）。
【００２３】
ここで、本型の最適な形状（ｙ，ｚｋ）は以下の式により決定される。
ｚｋ＝（ｙ^２／ｒｋ）／｛１＋Ｐｋ（１−（ｙ／ｒｋ）^２）^１／２｝＋ΣＡｋ_ｉｙ^ｉ
ただし、ｒｋ＝ｒ_ｄ／α_ＢＦ
Ｐｋ＝Ｐ_ｄ
Ａｋ_ｉ＝（Ａ_ｄｉ−Ａｓ_ｉ＋Ａ_ＢＦｉ）α_ＢＦ ^ｉ−１
である。
【００２４】
さらに、以上のようにして算出された本型の最適形状のデータを数値制御加工機３に入力し、本型の加工を行う（ＳＴＥＰ９）。
【００２５】
このような本実施の形態により、光学素子の高精度加工が可能な金型を製造することができるが、本型の形状を算出するにあたっては係数相互の加減という簡単な計算で求めることができ、その決定を容易に行うことができる。
【００２６】
なお、上述の多項式は、任意の軸対称形状を表現できるものであり、Ｐ＝１，Ａ_ｉ＝０の場合は球面に適用できると共に、ｒを８０００程度の大きな値とすることにより平面に適用することができる。このため光学面が球面、非球面、平面であっても、いずれに適用することができる。
【００２７】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２のフローチャートを示す。図示のフローチャートにおいて、ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ５およびＳＴＥＰ９の処理は実施の形態１と同様であるため省略し、処理の異なるＳＴＥＰ６’〜ＳＴＥＰ８’を説明する。
【００２８】
前段階のＳＴＥＰ５では、仮型の相似変形形状と仮型で成形された成形品の形状との差ｚｓ−ｚｋ’のうねり成分が最小となる仮型の相似変形倍率α（α＜１）が求められており、このαをα_ＢＦとする（ＳＴＥＰ６’）。そして、すでにレンズの設計形状の点列座標（ｙ，ｚ_ｄ）、仮型の相似変形形状の点列座標（ｙ，ｚｋ’）、成形品の点列座標（ｙ，ｚｓ）がわかっているので、これにより本型の最適形状点列座標（ｙｋ，ｚｋ）を以下の式により求める（ＳＴＥＰ７’）。
ｙｋ＝ｙ／α_ＢＦ，ｚｋ＝（ｚ_ｄ−ｚｓ＋ｚｋ’）／α_ＢＦ
【００２９】
次に、本型の最適形状点列座標を多項式に変換する。これにより本型の最適形状の特性値ｒｋ，Ｐｋ，Ａｋ_ｉが求まる（ＳＴＥＰ８’）。
【００３０】
このような実施の形態２によれば、本型最適形状を点列座標どうしの計算で求めるので、点列座標レベルでのデータ操作ができる等の融通性をもつという利点がある。
【００３１】
なお、上記した具体的実施の形態から次のような構成の技術的思想が導き出される。
（付記）
（１）成形品に使用する成形材料の既知の成形収縮率に基づいて仮型を作製し、この仮型の光学面の形状を測定して仮型の点列データを生成する工程と、前記仮型を使用して成形した成形品の光学面の形状を測定して成形品の点列データを生成する工程と、この成形品の光学面の形状の点列データと前記仮型の光学面を相似変形した形状の点列データとの差を算出すると共に、算出した差であるうねり成分が最小となるように相似変形倍率を求める工程と、目的とする光学素子の光学面の設計形状と前記うねり成分との差を求め、この差に基づいた形状に前記相似変形倍率の逆数を乗じて本型の形状を決定する工程と、決定した形状に一致するように本型を作製する工程とを備えていることを特徴とする光学素子成形用金型の加工方法。
【００３２】
（２）成形品に使用する成形材料の既知の成形収縮率に基づいて仮型を作製し、この仮型の光学面の形状を測定して仮型の点列データを生成する工程と、前記仮型を使用して成形した成形品の光学面の形状を測定して成形品の点列データを生成する工程と、この成形品の光学面の形状の点列データと前記仮型の光学面を相似変形した形状の点列データとの差を算出すると共に、算出した差であるうねり成分が最小となるように相似変形倍率を求める工程と、目的とする光学素子の光学面の設計形状の点列データと前記仮型の相似変形した形状の点列データおよび前記成形品の点列データから、前記光学素子の光学面の設計形状と前記うねり成分との差を直接に求め、この差に基づいた形状に前記相似変形倍率の逆数を乗じて本型の形状を決定する工程と、決定した形状に一致するように本型を作製する工程とを備えていることを特徴とする光学素子成形用金型の加工方法。
【００３３】
付記（１）の光学素子成形用金型の加工方法によれば、寸法精度および面精度のよい光学素子を成形する金型を容易に製造できる。本発明によって作られた金型は、内部に複雑な機構を設けなくてもよいため、金型の加工時間を短縮できるとともに、金型加工の歩留まりがよくなり、金型の耐久性も確保できる。しかも複雑な温調機構を用いることなく成形品の精度を向上できるため、温調機構を用いる場合よりも構造が簡単になり、金型の加工が簡単になり成形のサイクルタイムが短くなる。
【００３４】
付記（２）の光学素子成形用金型の加工方法によれば、付記（１）の効果に加え、本型の最適形状を点列データどうしの計算で求めることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、寸法精度および面精度のよい光学素子を成形する金型を容易に製造できる。本発明によって作られた金型は、内部に複雑な機構を設けなくてもよいため、金型の加工時間を短縮できるとともに、金型加工の歩留まりがよくなり、金型の耐久性も確保できる。しかも複雑な温調機構を用いることなく成形品の精度を向上できるため、温調機構を用いる場合よりも構造が簡単になり、金型の加工が簡単になり成形のサイクルタイムが短くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に適用される加工装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１のフローチャートである。
【図３】うねり成分を示す特性図である。
【図４】本発明の実施の形態２のフローチャートである。
【符号の説明】
１形状測定装置
２計算処理装置
３数値制御加工機

Claims

成形品に使用する成形材料の既知の成形収縮率に基づいて仮型を作製し、この仮型の光学面の形状を測定する工程と、前記仮型を使用して成形した成形品の光学面の形状を測定する工程と、この成形品の光学面の形状と前記仮型の光学面を相似変形した形状との差を算出すると共に、算出した差であるうねり成分が最小となるように相似変形倍率を求める工程と、目的とする光学素子の光学面の設計形状と前記うねり成分との差を求め、この差に基づいた形状に前記相似変形倍率の逆数を乗じて本型の形状を決定する工程と、決定した形状に一致するように本型を作製する工程とを備えていることを特徴とする光学素子成形用金型の加工方法。