光学素子の製造方法
【課題】型のサイズを大きくすることなく成形品の面間偏心の発生を防止する。
【解決手段】下型４２及び上型４５が嵌挿されるスリーブ４９内に支持されるように、下型４２及び上型４５の間に保持部材４８を配置し、保持部材４８に支持されるように、熱可塑性素材５０を配置する配置工程（Ｓ１）と、配置工程後、下型４２を上方移動させて、熱可塑性素材５０を持ち上げる工程（Ｓ２）と、持ち上げられた熱可塑性素材５０を、上型４５に当接させて成形を開始する工程（Ｓ３）と、下型４２のさらなる上方移動により保持部材４８を持ち上げて、下型４２の成形面の球心Ｐまたは面頂と保持部材４８の回転中心とが一致するように熱可塑性素材５０の成形を完了する成形完了工程（Ｓ４）とを有する。
【解決手段】下型４２及び上型４５が嵌挿されるスリーブ４９内に支持されるように、下型４２及び上型４５の間に保持部材４８を配置し、保持部材４８に支持されるように、熱可塑性素材５０を配置する配置工程（Ｓ１）と、配置工程後、下型４２を上方移動させて、熱可塑性素材５０を持ち上げる工程（Ｓ２）と、持ち上げられた熱可塑性素材５０を、上型４５に当接させて成形を開始する工程（Ｓ３）と、下型４２のさらなる上方移動により保持部材４８を持ち上げて、下型４２の成形面の球心Ｐまたは面頂と保持部材４８の回転中心とが一致するように熱可塑性素材５０の成形を完了する成形完了工程（Ｓ４）とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性素材を成形型間に挟んで加熱、加圧し光学素子を製造する光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光学素子は、映像の高画質化に伴い、高い形状精度が求められており、光学機能面の面間偏芯についても厳しい精度が求められている。
例えば、熱可塑性素材を加熱、加圧（プレス）すると、成形品の成形面に曇りや発泡等の変質が発生することがある。
これを回避する技術として、例えば特許文献１には、熱可塑性素材の機能面予定面と成形型の機能面成形面とが非接触のまま、熱可塑性素材を機能面予定面以外の部位にて支持し、該支持部位からの伝熱加熱により熱可塑性素材を加熱軟化し、曇りや発泡等の変質を防ぐ技術が提案されている。
【０００３】
すなわち、加熱プレートを上型に当接させて押圧し、この状態で下プレートの内部に格納された押し上げ部材が上昇してきて下型を持ち上げ、この下型が支持部材に支えられている熱可塑性素材を持ち上げる。こうして、熱可塑性素材を上型に当てつけ、上下型間に挟み込むことで成形を行っている。
【０００４】
この特許文献１によれば、熱可塑性素材を下型と非接触の状態で位置決め部材で位置決めしながら加熱することができる。また、プレス工程に入ると、熱可塑性素材を位置決めしていた位置決め部材が、プレスに影響を及ぼすことなく、熱可塑性素材と下型から離れるため、成形品の曇りや発泡等の変質を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１８６３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、例えば、図１８において、下プレート１２６の内部に格納された押し上げ部材１３０が、下型１４２を上型１４５に向けて持ち上げて成形する時に、下型１４２がチルト（回転）しやすいという課題が生じる。そして、この下型１４２のチルトは、成形される熱可塑性素材１５０の面間偏芯（光学機能面間の偏心）に関連している。
【０００７】
ここで、下型がチルトしやすいのは、以下の理由が考えられる。
第１に、図１８に示すように、押し上げ部材１３０は、先端が平面若しくは非平面で、直径がスリーブ１４９の内径よりも小さい棒状部材のため、押し上げ部材１３０自身のチルトを制御するのが困難である。
【０００８】
第２に、図１９に示すように、押し上げ部材１３０と下型１４２との接触面積は、下型１４２の面積よりも小さいため、押し上げ部材１３０がチルトせずに作動したとしても、下型自身がチルトし易い。
【０００９】
第３に、押し上げ部材１３０の中心軸とスリーブ１４９の中心軸Ｏ−Ｏとが一致するように下型１４２を位置決めする必要がある。スリーブ１４９の中心軸Ｏ−Ｏとは、スリーブ１４９の内径（内側）の中心軸のことである。もしも、スリーブ１４９の中心軸Ｏ−Ｏと押し上げ部材１３０の中心軸とがシフト（移動）した状態で成形が行われると、押し上げ部材１３０が下型１４２にトルクを与える作用が働き、図２０に示すように、押し上げ部材１３０のチルトがなくても下型１４２のチルトが発生してしまう。
なお、光学機能面が球面である光学素子の場合、芯取り加工で面間偏芯を除去することが可能であるが、非球面が少なくとも１面ある光学素子の場合は、面間偏芯を後工程で除去することはできない。
【００１０】
本発明は、斯かる課題を解決するためになされたもので、型の寸法を大きくすることなく成形品の面間偏心の発生を防止することのできる光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る光学素子の製造方法は、
対向配置された下型及び上型が嵌挿されるスリーブ内に支持されるように、該下型及び該上型の間に保持部材を配置し、該保持部材に支持されるように、熱可塑性素材を配置する配置工程と、
前記配置工程後、前記下型を上方移動させて、前記熱可塑性素材を持ち上げる工程と、
持ち上げられた前記熱可塑性素材を、前記上型に当接させて成形を開始する工程と、
前記下型のさらなる上方移動により前記保持部材を持ち上げて、前記下型の成形面の球心または面頂と前記保持部材の回転中心とが一致するように前記熱可塑性素材の成形を完了する成形完了工程と、を有する。
【００１２】
また、本発明に係る光学素子の製造方法は、
上記の光学素子の製造方法において、
前記下型の成形面は、球面であり、
前記成形完了工程では、前記球心と前記回転中心とが一致するように成形を完了することが可能である。
さらに、本発明に係る光学素子の製造方法は、
上記の光学素子の製造方法において、
前記下型の成形面は、非球面であり、
前記球心は、前記成形面の近軸曲率半径を有する球の中心であることが可能である。
また、本発明に係る光学素子の製造方法は、
上記の光学素子の製造方法において、
前記保持部材は、前記熱可塑性素材の機能面予定面よりも外側の部位を支持することが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、型の寸法を大きくすることなく成形品の面間偏心の発生を防止することのできる光学素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１に用いられる成形装置の全体構成を示す図である。
【図２】同上の光学素子の製造工程を示す図である。
【図３】同上の光学素子の製造工程を示す図である。
【図４】同上の光学素子の製造工程を示す図である。
【図５】同上におけるフローチャートを示す図である。
【図６】スリーブの中心軸と非球面球心との位置関係を示す図である。
【図７】スリーブの中心軸と非球面球心との位置関係を示す図である。
【図８】スリーブの中心軸と非球面球心との位置関係を示す図である。
【図９】下型がスリーブに嵌合しているときの断面を示す図である。
【図１０Ａ】シフトはゼロでチルトが最大となった場合の型セットの断面を示す図である。
【図１０Ｂ】同上の部分拡大を示す図である。
【図１１】シフト最大でチルト０の場合の型セットの断面を示す図である。
【図１２】下型の嵌合長が短い場合の型セットの断面図である。
【図１３】下型の嵌合長が長い場合の型セットの断面図である。
【図１４】実施の形態２の型セットの断面を示す図である。
【図１５】同上の光学素子の製造工程を示す図である。
【図１６】熱可塑性素材が平板状をなしているときの実施の形態を示す図である。
【図１７】同上の光学素子の製造工程を示す図である。
【図１８】従来例の型セットの断面を示す図である。
【図１９】従来例の型セットの断面を示す図である。
【図２０】従来例の型セットの断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［実施の形態１］
（成形装置の構成）
図１は、本実施の形態に用いられる成形装置の全体構成を示す図である。この成形装置１０は、予備室１１、成形室１２、排出室１３を有し、これらの各室が矢印Ａ方向に沿って連続して形成されている。この矢印Ａ方向は、後述する型セット４０の搬送方向である。
（予備室１１の構成）
【００１６】
予備室１１は、床面に平坦なプレート１４が敷設され、このプレート１４の上面に、下端が開口したチャンバー１８が配置されている。この予備室１１は密室となっているが、入口側のシャッター１７を開くことで、外部から予備室１１内、さらにチャンバー１８内に型セット４０を搬入できるようになっている。
例えば、チャンバー１８を昇降移動させて内部に型セット４０を収容することができる。この場合、予備室１１の高さは、実際にはチャンバー１８を昇降移動可能な高さに設定されている。
【００１７】
本実施の形態では、型セット４０を次の成形室１２に搬送する前にチャンバー１８内の真空引きが行われる。また、この真空引きの後、チャンバー１８の内部を窒素や不活性ガスによってガス置換を行う。
そのために、チャンバー１８の上方には、導入管１９を介して真空ポンプ２０が取り付けられている。この真空ポンプ２０により、チャンバー１８内を真空引きし、代わりに窒素ガスを充填できるようになっている。こうして、チャンバー１８内は窒素ガスで置換される。型セット４０には、外気と連通する不図示の空気孔が形成されていて、この空気孔を介して型セット４０の内部も窒素ガスで充満される。
【００１８】
型セット４０を収容したチャンバー１８内が窒素ガスで置換された後は、チャンバー１８が開放されて、型セット４０が搬出できるようになっている。
チャンバー１８が開放された後は、成形室１２との間にあるシャッター２１が開き、型セット４０が成形室１２へ搬入される。その後、シャッター２１は閉じられる。
なお、予備室１１内の酸素濃度は２０ｐｐｍ以下に保たれている。このように、予備室１１の酸素濃度を低くするのは、型セット４０や成形装置１０内の構造物の耐久性の向上と、成形品（光学素子）の不良発生の防止のためである。さらに、予備室１１内にチャンバー１８を設けたのは、型セット４０内の酸素濃度を確実に低くするためである。
（成形室１２の構成）
【００１９】
成形室１２内は、窒素置換（窒素パージ）が行われ、酸素濃度は１０ｐｐｍ以下に保たれている。また、搬入された型セット４０に対し、加熱、成形、冷却が行えるように、複数のステージに分割されている。なお、ステージの数は何個でもよいが、本実施の形態では、加熱と成形を行う第１ステージ１５と、冷却を行う第２ステージ１６の２つのステージに分割されている。
第１ステージ１５は、一対の上プレート２４及び下プレート２６を有し、各上・下プレート２４，２６内には夫々上・下カートリッジヒータ２５，２７が内蔵されている。この上・下カートリッジヒータ２５，２７により、上・下プレート２４，２６を所望の温度に加熱することができる。この上・下プレート２４，２６により、挟持した型セット４０を加熱することができる。また、上プレート２４は、シリンダ２８により上下方向（矢印Ｂ方向）に昇降することができる。
【００２０】
第１ステージ１５では、下プレート２６の中心に貫通孔２９が形成されている。この貫通孔２９に、プレス機構（図示せず）の押し上げ部材３０が摺動自在に嵌挿されている。この押し上げ部材３０は、不図示のヒータにより下プレート２６と同じ温度状態に加熱されている。この押し上げ部材３０は、不図示のシリンダにより上下方向（矢印Ｃ方向）に昇降移動することができる。
第２ステージ１６は、一対の上プレート３４及び下プレート３６を有し、各上・下プレート３４，３６内には夫々上・下カートリッジヒータ３５，３７が内蔵されている。この上・下カートリッジヒータ３５，３７により、上・下プレート３４，３６を所望の温度に加熱することができる。この上・下プレート３４，３６により、挟持した型セット４０を加熱することができる。また、上プレート３４は、シリンダ３８により上下方向（矢印Ｂ方向）に昇降することができる。
（排出室１３の構成）
【００２１】
この排出室１３は、成形室１２から搬送されてきた型セット４０を冷却して外部に搬出する役目をなしている。
排出室１３は、内部の酸素濃度が２０ｐｐｍ以下に保たれている。この排出室１３内には、放熱板５６が上下方向（矢印Ｂ方向）に昇降自在に配置されている。こうして、排出室１３内に型セット４０が搬入されると、放熱板５６が下降してくる。
この放熱板５６は、型セット４０の上端面に所定時間当てつけられて型セット４０を常温近くまで冷却する。その後、排出室１３の排出口に設けられたシャッター５８が開かれる。こうして、型セット４０は不図示の搬送アームにより外部へ排出され、工程完了となる。
（型セット４０の構成）
【００２２】
図２に示すように、型セット４０は、第１の型としての下型４２、第２の型としての上型４５、保持部材４８、及びスリーブ４９を有している。下型４２は段付き円柱状をなし、大径のフランジ部４３と小径の柱状部４２１とを有している。フランジ部４３と柱状部４２１との境界は、平坦面４３ａに形成されている。また、柱状部４２１の先端部に、凸非球面状の成形面４２ａが形成されている。
【００２３】
上型４５は段付き円柱状をなし、大径のフランジ部４６と、中間径の第１の柱状部４５１と、小径の第２の柱状部４５２とを有している。この第２の柱状部４５２の先端部に、凹球面状の成形面４５ａが形成されている。
なお、本実施の形態では、下型４２の成形面４２ａを凸非球面状とし、上型４５の成形面４５ａを凹球面状としたが、これに限らない。例えば、成形面４２ａを凸球面状とし、成形面４５ａを凹非球面状としてもよく、さらに両方の成形面４２ａ、４５ａを非球面としてもよい。
【００２４】
スリーブ４９は、上端に開口する大径の孔４９１と、下端に開口し大径の孔４９１よりもやや小径の孔４９２とを有し、その境界に平坦な段差面４９ａが形成されている。
下型４２は、スリーブ４９の下端開口側から摺動自在に嵌挿されている。また、上型４５は、スリーブ４９の上端開口側から嵌挿され、そのフランジ部４６は、スリーブ４９の上端面に当接されている。こうして、下型４２と上型４５は、スリーブ４９の内部で、それぞれの成形面４２ａ，４５ａが対向するようにスリーブ４９の両端側から嵌挿されている。
【００２５】
また、保持部材４８は、中心に貫通孔４８ａが形成された略有底の円筒状をなしている。この保持部材４８は、スリーブ４９の内部で下型４２と上型４５との間に挟まれるように配置されている。この保持部材４８は、スリーブ４９の上端開口側から嵌挿されて、スリーブ４９の内側の段差面４９ａに当接支持されている。この保持部材４８の貫通孔４８ａには、下型４２の柱状部４２１が摺動自在に嵌挿されている。
【００２６】
また、この貫通孔４８ａの上端開口側の端縁には、熱可塑性素材５０が支持されている。本実施形態では、この熱可塑性素材５０としてガラス素材が用いられている。この熱可塑性素材５０は、球状に加工されている。
なお、下型４２及び上型４５は、タングステンカーバイド（ＷＣ）等の超硬合金を研削・研磨して仕上げられている。また、熱可塑性素材５０は、市販の光学ガラスが用いられている。
【００２７】
また、スリーブ４９の両端開口側の端面と上型４５のフランジ部４６との平面度は、それぞれ２μｍ以下に加工されている。上型４５の成形面４５ａのチルトは、この平面度に大きく影響するためである。なお、平面度とは、ＪＩＳ規格では、互いに平行な２つの平面の間の空間を表わすと定義されている。
また、保持部材４８の最外径とスリーブ４９の大径の孔４９１とのクリアランスは、１０μｍ程度に設定されている。保持部材４８は、スリーブ４９と嵌合しながら持ち上げられるため、保持部材４８はスリーブ４９とのクリアランスがないと摺動しないが、クリアランスが大きすぎると、保持部材４８のチルトが大きく発生し、本発明の効果が発揮できなくなる恐れがある。
【００２８】
次に、前述した成形室１２での具体的な作業内容を説明する。
型セット４０は、予備室１１から成形室１２の第１ステージ１５に搬入される。そして、第１ステージ１５の下プレート２６の中心に位置決めされる。その後、上プレート２４が下降し、型セット４０の上面に当て付けられる。なお、本実施の形態では、熱可塑性素材５０は、当初は上型４５と非接触となっているため、上プレート２４の荷重や衝撃で割れることはない。
【００２９】
このため、熱可塑性素材５０がどんなに微小なサイズであっても、割れないようにするために上プレート２４の荷重を小さくする必要はない。ただし、その後、成形工程で押し上げ部材３０が下方から下型４２を持ち上げるため、上プレート２４の荷重は、この押し上げ部材３０の加圧力よりも大きくする必要がある。これは、上プレート２４の移動を防止するためである。
ここで、熱可塑性素材５０が成形可能な粘度状態になるまで、上・下プレート２４，２６により型セット４０を加熱する。
【００３０】
このときの加熱温度は、型セット４０の温度が熱可塑性素材５０のガラス屈伏点よりも１０℃〜３０℃高い温度になるように、上・下カートリッジヒータ２５，２７により加熱する。加熱時間は、熱可塑性素材５０の材料と体積によって調整することができる。
加熱により、熱可塑性素材５０が成形可能な粘度状態になったとき、下プレート２６の中心に収容されていた押し上げ部材３０が上方に向けて移動し、プレスを開始する。この押し上げ部材３０は、スリーブ４９の内径よりも細い。下型４２は、この押し上げ部材３０により持ち上げられる。
【００３１】
押し上げ部材３０による押し上げ荷重は、熱可塑性素材５０の材料や加熱時間、加熱温度にもよるが、型中心軸Ｏ−Ｏと垂直面の熱可塑性素材５０の断面積でおよそ１ｍｍ２当り１ｋｇｆである。熱可塑性素材５０を十分に加熱軟化しておけば、型中心軸Ｏ−Ｏと垂直面の熱可塑性素材５０の断面積で１ｍｍ２当り３ｋｇｆやそれ以上の高荷重でも熱可塑性素材５０が割れずにプレスを行うことができる。こうして、比較的短時間で熱可塑性素材５０のプレスを完了することができる。
このことは、熱可塑性素材５０と、下型４２の成形面４２ａ及び上型４５の成形面４５ａとが高温で接触する時間が短くて済むことを意味する。このため、成形後の光学素子に曇りや発泡等が発生するおそれが軽減される。
【００３２】
また、押し上げ部材３０の下プレート２６からの突出量は、不図示のマイクロメータにより把握できるようになっている。この押し上げ部材３０の突出量と型構成から、プレス中の熱可塑性素材５０の中心肉厚が算出される。
熱可塑性素材５０をある中心肉厚までプレスしたとき、次に、上・下プレート２４，２６の温度がガラス屈伏点付近の温度になるまで冷却され、プレス速度を抑制する。
【００３３】
これは、熱可塑性素材５０の中心肉厚の精度を高めるためである。押し付け荷重については、このとき、同時に低下させてもよいし、別の工程で低下させてもよい。さらに、ある程度の中心肉厚までプレスしたとき、上・下プレート２４，２６の温度をガラス転移点以下の温度にまで下げる。こうして、熱可塑性素材５０の成形面にヒケ、はがれが発生しないように荷重を加えながら熱可塑性素材５０を固化する。
【００３４】
熱可塑性素材５０の温度がガラス転移点以下になったら、再び押し上げ部材３０を下プレート２６内に収容する。これに伴い、下型４２は自重で落下し下プレート２６上に戻る。上プレート２４も、シリンダ２８の駆動により型セット４０から上昇して離れる。その後、型セット４０は不図示の搬送アームによって第２ステージ１６に搬送される。
この第２ステージ１６では、シリンダ３８により上プレート３４を下降させ、この上プレート３４を型セット４０の上型４５に当てつける。こうして、型セット４０を上・下プレート３４，３６間に挟み込んで冷却する。これにより、型セット４０内において、熱可塑性素材５０が所望形状に成形されてできた成形品５２が冷却される。この場合、上・下プレート３４，３６の温度は、２００〜４００℃程度が好ましい。
【００３５】
この範囲の温度とすることで、型セット４０が次の排出室１３で急冷されたときに、成形品５２のサーマルショックによる割れや、型セット４０や排出室１３内の酸化によるダメージを防止することができる。こうして、第２ステージ１６で型セット４０を所定時間冷却した後、成形室１２と排出室１３との間のシャッター５４が開く。
こうして、型セット４０は、不図示の搬送アームにより成形室１２から排出室１３へ搬送される。その後、成形室１２と排出室１３との間のシャッター５４は閉じられる。
（成形工程の詳細説明）
【００３６】
図２〜図４は、本実施の形態の光学素子の製造工程を示す図である。また、図５は、本実施の形態におけるフローチャートを示す図である。なお、図２〜図４に示した上型４５及び保持部材４８は、図１に示したものと若干形状が相違するが、説明の便宜上、これらは同一のものとする。
【００３７】
図２において、スリーブ４９内に支持されるように、保持部材４８を下型４２及び上型４５の対向面間に配置し、この保持部材４８に支持されるように、熱可塑性素材５０を配置する（図５のＳ１）。保持部材４８は、熱可塑性素材５０の機能面予定面よりも外側の部位を支持することができる。本実施の形態では、熱可塑性素材５０を、保持部材４８の中心に形成された貫通孔４８ａの上端縁で支持している。
なお、機能面予定面とは、熱可塑性素材５０が成形されて成形品（光学素子）５２となった場合の、その成形品（光学素子）５２の光学機能面をいう。
【００３８】
この状態から、押し上げ部材３０に押されて下型４２が上方移動する。すると、下型４２の先端の成形面４２ａが上方移動して熱可塑性素材５０に接触し、この熱可塑性素材５０が持ち上げられる（図５のＳ２）。
これにより、図３に示すように、熱可塑性素材５０は、保持部材４８から離れて上型４５の成形面４５ａに当てつけられる。こうして、熱可塑性素材５０は下型４２の成形面４２ａと上型４５の成形面４５ａとの間に挟まれ、成形が開始される（図５のＳ３）。
【００３９】
さらに、下型４２は上方へ持ち上げられ続けるが、その途中で下型４２のフランジ部４３の上端面４３ａが、保持部材４８の下面４８ｂと接触し、保持部材４８を持ち上げる。
続いて、熱可塑性素材５０は、下型４２の上方移動により、下型４２の成形面４２ａと上型４５の成形面４５ａとの間で加圧成形される。こうして、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐ（図４参照）と保持部材４８の回転中心とが一致するような位置関係の下で、熱可塑性素材５０の成形を完了する（図５のＳ４）。
【００４０】
この場合、図４において、保持部材４８の高さ（中心軸Ｏ−Ｏ方向の寸法）を一定としたときに、保持部材４８のチルト（回転）という現象について考える。
すると、保持部材４８は、その高さ及び直径の回転中心Ｐを中心として、スリーブ４９の内径と保持部材４８の直径との間のクリアランスが許す範囲で回転していると考えることができる。
ここで、本実施の形態では、熱可塑性素材５０が所望の中心肉厚までプレスされたときにおいて、保持部材４８の回転中心Ｐと下型４２の成形面４２ａの球心Ｐとが一致するように設定している。
【００４１】
下型４２の平坦面４３ａが保持部材４８の下面４８ｂを当て付けて持ち上げるため、保持部材４８と下型４２とは一体となってチルトする。そのため下型４２の成形面４２ａの球心Ｐ（非球面の場合は、後述する近軸曲率半径を有する球の中心）は、保持部材４８の回転中心と一致している。このため、保持部材４８のチルトによっては、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐのシフト（中心軸Ｏ−Ｏと直交方向のズレ）は発生しない。
なお、下型４２の成形面４２ａが凸面で、かつ大きい曲率半径を有する構造であれば、下型４２のフランジ部４３とスリーブ４９の内径との嵌合領域の中心に、下型４２の成形面４２ａの球心がくるような構造に設計してもよい。
【００４２】
次に、図６〜図８は、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと非球面球心Ｐとの位置関係を示す図である。
まず、図６に基づき、下型４２の成形面４２ａが非球面である場合の、成形面４２ａの球心Ｐについて説明する。なお、説明の便宜上、下型４２の成形面４２ａが球面の場合の球心も非球面の場合の球心も、同じ符号Ｐ点を用いる。
一般に、非球面形状は[数１]で表わされる。
【数１】
[数１]のＲが「近軸曲率半径（近軸Ｒ）」である。
「近軸曲率半径（近軸Ｒ）」を有する球の中心は、レンズ（光学素子）の中心とみなすことができる。
また、非球面の面頂Ｔから近軸曲率半径（近軸Ｒ）の距離だけ離れた位置が非球面の球心Ｐである。
【００４３】
ここで、図７は、下型４２の非球面球心Ｐと上型４５の非球面球心Ｐ’とが一致しない場合を示している。
この場合、下型４２がチルトすると、下型４２の非球面球心Ｐがスリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏからずれてしまう。
このとき、下型４２の非球面球心Ｐと上型４５の球心若しくは非球面球心Ｐ’とを結ぶ線と、下型４２の非球面軸Ｏ’−Ｏ’とのなす角θは、下型４２のチルト角度以上に大きくなる。
【００４４】
これに対し、図８は、成形時に保持部材４８がスリーブ４９と嵌合して回転する回転中心Ｐと下型４２の非球面球心Ｐとを一致させた場合を示している。
こうすることで、下型４２の非球面球心Ｐのスリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏからのシフトを防ぐことができる。
ただし、下型４２の非球面軸Ｏ’−Ｏ’のチルトは、下型４２がチルトした分だけ発生する。
【００４５】
このとき、下型４２の非球面球心Ｐと上型４５の球心若しくは非球面球心Ｐ’とを結ぶ線と、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏとのなす角θはゼロとなる。
このように、下型４２の成形面４２ａが非球面の場合、動かさないポイントＰを決めることができる。なお、このポイントＰを、非球面の近軸曲率半径（近軸Ｒ）を有する球の中心と一致させるか、又は非球面の面頂と一致させるかは、設計者次第で選択することができる。
また、上述では下型４２の成形面４２ａを非球面とした例を説明したが、本発明では、上型４５の成形面４５ａを非球面とし、かつ下型４２の成形面４２ａを球面とすることができる。この組み合わせによれば、下型４２の球心Ｐが、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏ上に位置し、上型４５の非球面軸上に下型４２の球心Ｐを配置することができ、面間偏心精度の高い非球面レンズを得ることができる。
（下型のシフトに関して）
【００４６】
図９は、下型４２がスリーブ４９に嵌合しているときの断面図を示す。
下型４２がスリーブ４９に嵌合しているときは、下型４２の姿勢はチルトとシフトによって表現することができる。
図９において、下型４２がスリーブ４９内で嵌合しているとき、下型４２が、そのフランジ部４３の高さ方向（スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏ方向）の中心と直径方向（スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと直交方向）の中心との交点（下型４２の回転中心）Ｑを中心として回転したとする。
【００４７】
このとき、前述したように、下型４２の回転をチルトと定義し、また、交点Ｑが直径方向に移動する量をシフトと定義して、区別することができる。この図９は、シフトもチルトもゼロの状態を示している。
例えば、図１０Ａは、シフトはゼロでチルトが最大となった場合の型セットの断面を示し、図１０Ｂは、その部分拡大図を示している。
【００４８】
この図１０Ａにおいて、下型４２の回転中心Ｑから球心Ｐまでの距離をＬ、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと下型４２の中心軸Ｏ’−Ｏ’とのなす角度をθとし、面間偏心量λを、
λ＝Ｌ×ｔａｎθ
で定義する。
（近似的には、θをラジアンで表わすと、λ≒Ｌ×θとなる。）
【００４９】
このため、例えば、下型４２とスリーブ４９との嵌合長ｗ＝４ｍｍ、クリアランスｃ＝１０μｍのとき、下型４２のチルトθはθ＝８．６分発生し得る。
このとき、下型４２の全長ＹがＹ＝１１ｍｍであるとき、下型４２のシフト０、チルト最大の場合は、面間偏心量λは、λ＝２２．５μｍシフトすることになる（図１０Ｂ参照）。
【００５０】
これに対し、図１１は、シフト最大でチルト０の場合の型セットの断面図である。
この図１１において、チルト０の場合は、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐはスリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏからクリアランスの半分の５μｍしかシフトしない（面間偏心量）。
すなわち、下型４２の全長Ｙが長いほど、シフトよりもチルトの方が面間偏心量に影響を与える。
【００５１】
例えば、図１２は、図１０Ａの状態から、下型４２の全長Ｙを長くした場合の型セットの断面図である。
同図１２において、下型４２とスリーブ４９との嵌合長ｗ＝４ｍｍ、クリアランスｃ＝１０μｍ、下型４２の全長Ｙが図１０Ａの状態より倍のＹ＝２２ｍｍである場合は、図１０Ａと嵌合長ｗとクリアランスｃが同じため、チルトθは同じく８．６分発生し、面間偏心量λは図１０Ａの倍のλ＝４５μｍとなる。
また、図１３は、図１０Ａから下型４２の嵌合長ｗを長くした場合の型セットの断面図である。
同図１３に示すように、クリアランスｃ＝１０μｍのとき、チルトを防ぐ目的で下型４２とスリーブ４９の嵌合長ｗを図１２の場合よりも倍のｗ＝８ｍｍにしたとする。すると、チルトθは半分のθ＝４．３分発生しうる計算となる。
【００５２】
図１０Ａの状態から、下型４２とスリーブ４９との嵌合長ｗが４ｍｍ伸びた分、下型４２の全長ＹがＹ＝１５ｍｍになるため、面間偏心量λはλ＝１３．８μｍだけシフトすることになる。
これは、前述した図１０Ｂの面間偏心量の半分よりも大きい。すなわち、下型４２とスリーブ４９との嵌合長ｗを伸ばしてチルトを防いだとしても、その分、下型４２の先端が嵌合領域から遠ざかる。このため、面間偏心の改善効果は一部相殺されてしまう。よって、相殺分を見込んで長い型構成にしないとチルト対策ができない。
【００５３】
しかし、下型４２とスリーブ４９との嵌合長ｗを伸ばすと、型セット４０の全長が延びてしまう。この場合、型セット４０の熱容量が大きくなり熱可塑性素材５０の加熱等に長時間を要する等の不具合が生じる。また、嵌合長ｗを長くしても下型４２の全長が長くなると面間偏心λが大きくなる。
つまり、クリアランスｃが一定なら、シフトが少ないほど大きなチルトが発生しやすい。また、下型４２の姿勢が毎回ランダムに変わるとすると、シフト位置は正規分布に従う。すなわち、シフトは、シフトしうる最大値付近になる確率は低く、それゆえ、下型４２はチルトしやすい位置になりやすい。
以上のように、一般的な型構成では、チルトが原因となって面間偏心が発生しやすい。また、対策をとると型構成が大きくなってしまう。
【００５４】
本実施の形態によれば、下型４２のシフトが発生しない状態でチルトしたとき、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと下型４２の中心軸Ｏ’−Ｏ’との交点に、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐ（非球面の場合は近軸Ｒの中心）が一致するようにしたので、下型４２がどれだけチルトしたとしても成形品の面間偏心が発生しないようにすることができる。
しかも、本実施の形態によれば、型の寸法を大きくすることなく成形品の面間偏心の発生を防止することができる。
［実施の形態２］
【００５５】
図１４及び図１５は、本実施の形態の型セット４０の断面図である。
なお、実施の形態１と同一又は相当する部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施の形態では、下型４２の成形面４２ａが凹球面又は凹非球面で、これと上型４５の凹状の成形面４５ａとの間に配置された保持部材４８を介して熱可塑性素材５０が支持された場合を考える。そして、保持部材４８の中心に形成された貫通孔４８ａの上端縁に球状の熱可塑性素材５０が支持されている。
【００５６】
図１５において、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐが、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと下型４２の中心軸Ｏ’−Ｏ’との交点と一致しているとする。
このため、下型４２がチルトしたとしても、成形品の面間偏心は発生しない。これは、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐは動かない点であるため、下型４２の成形面４２ａがどのようにチルトしたとしても、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏに対して、球心Ｐがずれることはないからである。
【００５７】
次に、図１６及び図１７は、熱可塑性素材５０が平板状をなしているときの実施の形態を示している。
この場合も、図１７において下型４２の成形面４２ａの球心Ｐが、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと下型４２の中心軸Ｏ’−Ｏ’との交点と一致している。
このため、前述と同様に、下型４２がチルトしたとしても、熱可塑性素材５０が成形された後の光学素子の面間偏心は発生しない。
【００５８】
本実施の形態によれば、下型４２の成形面４２ａが凹面である場合にも、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐと、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと下型４２の中心軸Ｏ’−Ｏ’との交点とを一致させることで、成形品の面間偏心の発生を防止することができる。
また、本実施の形態によれば、型の寸法を大きくすることなく成形品の面間偏心の発生を防止することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 成形装置
１１ 予備室
１２ 成形室
１３ 排出室
１４ プレート
１５ 第１ステージ
１６ 第２ステージ
１７ シャッター
１８ チャンバー
１９ 導入管
２０ 真空ポンプ
２１ シャッター
２４ 上プレート
２５ 上カートリッジヒータ
２６ 下プレート
２７ 下カートリッジヒータ
２８ シリンダ
２９ 貫通孔
３０ 押し上げ部材
３４ 上プレート
３５ 上カートリッジヒータ
３６ 下プレート
３７ 下カートリッジヒータ
３８ シリンダ
４０ 型セット
４２ 下型
４２１ 柱状部
４２ａ 成形面
４３ フランジ部
４５ 上型
４５１ 第１の柱状部
４５２ 第２の柱状部
４５ａ 成形面
４６ フランジ部
４８ 保持部材
４８ａ 下面
４９ スリーブ
４９ａ 段差面
４９１ 大径の孔
４９２ 小径の孔
５０ 熱可塑性素材
５２ 成形品
５４ シャッター
５６ 放熱板
５８ シャッター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性素材を成形型間に挟んで加熱、加圧し光学素子を製造する光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光学素子は、映像の高画質化に伴い、高い形状精度が求められており、光学機能面の面間偏芯についても厳しい精度が求められている。
例えば、熱可塑性素材を加熱、加圧（プレス）すると、成形品の成形面に曇りや発泡等の変質が発生することがある。
これを回避する技術として、例えば特許文献１には、熱可塑性素材の機能面予定面と成形型の機能面成形面とが非接触のまま、熱可塑性素材を機能面予定面以外の部位にて支持し、該支持部位からの伝熱加熱により熱可塑性素材を加熱軟化し、曇りや発泡等の変質を防ぐ技術が提案されている。
【０００３】
すなわち、加熱プレートを上型に当接させて押圧し、この状態で下プレートの内部に格納された押し上げ部材が上昇してきて下型を持ち上げ、この下型が支持部材に支えられている熱可塑性素材を持ち上げる。こうして、熱可塑性素材を上型に当てつけ、上下型間に挟み込むことで成形を行っている。
【０００４】
この特許文献１によれば、熱可塑性素材を下型と非接触の状態で位置決め部材で位置決めしながら加熱することができる。また、プレス工程に入ると、熱可塑性素材を位置決めしていた位置決め部材が、プレスに影響を及ぼすことなく、熱可塑性素材と下型から離れるため、成形品の曇りや発泡等の変質を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１８６３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、例えば、図１８において、下プレート１２６の内部に格納された押し上げ部材１３０が、下型１４２を上型１４５に向けて持ち上げて成形する時に、下型１４２がチルト（回転）しやすいという課題が生じる。そして、この下型１４２のチルトは、成形される熱可塑性素材１５０の面間偏芯（光学機能面間の偏心）に関連している。
【０００７】
ここで、下型がチルトしやすいのは、以下の理由が考えられる。
第１に、図１８に示すように、押し上げ部材１３０は、先端が平面若しくは非平面で、直径がスリーブ１４９の内径よりも小さい棒状部材のため、押し上げ部材１３０自身のチルトを制御するのが困難である。
【０００８】
第２に、図１９に示すように、押し上げ部材１３０と下型１４２との接触面積は、下型１４２の面積よりも小さいため、押し上げ部材１３０がチルトせずに作動したとしても、下型自身がチルトし易い。
【０００９】
第３に、押し上げ部材１３０の中心軸とスリーブ１４９の中心軸Ｏ−Ｏとが一致するように下型１４２を位置決めする必要がある。スリーブ１４９の中心軸Ｏ−Ｏとは、スリーブ１４９の内径（内側）の中心軸のことである。もしも、スリーブ１４９の中心軸Ｏ−Ｏと押し上げ部材１３０の中心軸とがシフト（移動）した状態で成形が行われると、押し上げ部材１３０が下型１４２にトルクを与える作用が働き、図２０に示すように、押し上げ部材１３０のチルトがなくても下型１４２のチルトが発生してしまう。
なお、光学機能面が球面である光学素子の場合、芯取り加工で面間偏芯を除去することが可能であるが、非球面が少なくとも１面ある光学素子の場合は、面間偏芯を後工程で除去することはできない。
【００１０】
本発明は、斯かる課題を解決するためになされたもので、型の寸法を大きくすることなく成形品の面間偏心の発生を防止することのできる光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る光学素子の製造方法は、
対向配置された下型及び上型が嵌挿されるスリーブ内に支持されるように、該下型及び該上型の間に保持部材を配置し、該保持部材に支持されるように、熱可塑性素材を配置する配置工程と、
前記配置工程後、前記下型を上方移動させて、前記熱可塑性素材を持ち上げる工程と、
持ち上げられた前記熱可塑性素材を、前記上型に当接させて成形を開始する工程と、
前記下型のさらなる上方移動により前記保持部材を持ち上げて、前記下型の成形面の球心または面頂と前記保持部材の回転中心とが一致するように前記熱可塑性素材の成形を完了する成形完了工程と、を有する。
【００１２】
また、本発明に係る光学素子の製造方法は、
上記の光学素子の製造方法において、
前記下型の成形面は、球面であり、
前記成形完了工程では、前記球心と前記回転中心とが一致するように成形を完了することが可能である。
さらに、本発明に係る光学素子の製造方法は、
上記の光学素子の製造方法において、
前記下型の成形面は、非球面であり、
前記球心は、前記成形面の近軸曲率半径を有する球の中心であることが可能である。
また、本発明に係る光学素子の製造方法は、
上記の光学素子の製造方法において、
前記保持部材は、前記熱可塑性素材の機能面予定面よりも外側の部位を支持することが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、型の寸法を大きくすることなく成形品の面間偏心の発生を防止することのできる光学素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１に用いられる成形装置の全体構成を示す図である。
【図２】同上の光学素子の製造工程を示す図である。
【図３】同上の光学素子の製造工程を示す図である。
【図４】同上の光学素子の製造工程を示す図である。
【図５】同上におけるフローチャートを示す図である。
【図６】スリーブの中心軸と非球面球心との位置関係を示す図である。
【図７】スリーブの中心軸と非球面球心との位置関係を示す図である。
【図８】スリーブの中心軸と非球面球心との位置関係を示す図である。
【図９】下型がスリーブに嵌合しているときの断面を示す図である。
【図１０Ａ】シフトはゼロでチルトが最大となった場合の型セットの断面を示す図である。
【図１０Ｂ】同上の部分拡大を示す図である。
【図１１】シフト最大でチルト０の場合の型セットの断面を示す図である。
【図１２】下型の嵌合長が短い場合の型セットの断面図である。
【図１３】下型の嵌合長が長い場合の型セットの断面図である。
【図１４】実施の形態２の型セットの断面を示す図である。
【図１５】同上の光学素子の製造工程を示す図である。
【図１６】熱可塑性素材が平板状をなしているときの実施の形態を示す図である。
【図１７】同上の光学素子の製造工程を示す図である。
【図１８】従来例の型セットの断面を示す図である。
【図１９】従来例の型セットの断面を示す図である。
【図２０】従来例の型セットの断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［実施の形態１］
（成形装置の構成）
図１は、本実施の形態に用いられる成形装置の全体構成を示す図である。この成形装置１０は、予備室１１、成形室１２、排出室１３を有し、これらの各室が矢印Ａ方向に沿って連続して形成されている。この矢印Ａ方向は、後述する型セット４０の搬送方向である。
（予備室１１の構成）
【００１６】
予備室１１は、床面に平坦なプレート１４が敷設され、このプレート１４の上面に、下端が開口したチャンバー１８が配置されている。この予備室１１は密室となっているが、入口側のシャッター１７を開くことで、外部から予備室１１内、さらにチャンバー１８内に型セット４０を搬入できるようになっている。
例えば、チャンバー１８を昇降移動させて内部に型セット４０を収容することができる。この場合、予備室１１の高さは、実際にはチャンバー１８を昇降移動可能な高さに設定されている。
【００１７】
本実施の形態では、型セット４０を次の成形室１２に搬送する前にチャンバー１８内の真空引きが行われる。また、この真空引きの後、チャンバー１８の内部を窒素や不活性ガスによってガス置換を行う。
そのために、チャンバー１８の上方には、導入管１９を介して真空ポンプ２０が取り付けられている。この真空ポンプ２０により、チャンバー１８内を真空引きし、代わりに窒素ガスを充填できるようになっている。こうして、チャンバー１８内は窒素ガスで置換される。型セット４０には、外気と連通する不図示の空気孔が形成されていて、この空気孔を介して型セット４０の内部も窒素ガスで充満される。
【００１８】
型セット４０を収容したチャンバー１８内が窒素ガスで置換された後は、チャンバー１８が開放されて、型セット４０が搬出できるようになっている。
チャンバー１８が開放された後は、成形室１２との間にあるシャッター２１が開き、型セット４０が成形室１２へ搬入される。その後、シャッター２１は閉じられる。
なお、予備室１１内の酸素濃度は２０ｐｐｍ以下に保たれている。このように、予備室１１の酸素濃度を低くするのは、型セット４０や成形装置１０内の構造物の耐久性の向上と、成形品（光学素子）の不良発生の防止のためである。さらに、予備室１１内にチャンバー１８を設けたのは、型セット４０内の酸素濃度を確実に低くするためである。
（成形室１２の構成）
【００１９】
成形室１２内は、窒素置換（窒素パージ）が行われ、酸素濃度は１０ｐｐｍ以下に保たれている。また、搬入された型セット４０に対し、加熱、成形、冷却が行えるように、複数のステージに分割されている。なお、ステージの数は何個でもよいが、本実施の形態では、加熱と成形を行う第１ステージ１５と、冷却を行う第２ステージ１６の２つのステージに分割されている。
第１ステージ１５は、一対の上プレート２４及び下プレート２６を有し、各上・下プレート２４，２６内には夫々上・下カートリッジヒータ２５，２７が内蔵されている。この上・下カートリッジヒータ２５，２７により、上・下プレート２４，２６を所望の温度に加熱することができる。この上・下プレート２４，２６により、挟持した型セット４０を加熱することができる。また、上プレート２４は、シリンダ２８により上下方向（矢印Ｂ方向）に昇降することができる。
【００２０】
第１ステージ１５では、下プレート２６の中心に貫通孔２９が形成されている。この貫通孔２９に、プレス機構（図示せず）の押し上げ部材３０が摺動自在に嵌挿されている。この押し上げ部材３０は、不図示のヒータにより下プレート２６と同じ温度状態に加熱されている。この押し上げ部材３０は、不図示のシリンダにより上下方向（矢印Ｃ方向）に昇降移動することができる。
第２ステージ１６は、一対の上プレート３４及び下プレート３６を有し、各上・下プレート３４，３６内には夫々上・下カートリッジヒータ３５，３７が内蔵されている。この上・下カートリッジヒータ３５，３７により、上・下プレート３４，３６を所望の温度に加熱することができる。この上・下プレート３４，３６により、挟持した型セット４０を加熱することができる。また、上プレート３４は、シリンダ３８により上下方向（矢印Ｂ方向）に昇降することができる。
（排出室１３の構成）
【００２１】
この排出室１３は、成形室１２から搬送されてきた型セット４０を冷却して外部に搬出する役目をなしている。
排出室１３は、内部の酸素濃度が２０ｐｐｍ以下に保たれている。この排出室１３内には、放熱板５６が上下方向（矢印Ｂ方向）に昇降自在に配置されている。こうして、排出室１３内に型セット４０が搬入されると、放熱板５６が下降してくる。
この放熱板５６は、型セット４０の上端面に所定時間当てつけられて型セット４０を常温近くまで冷却する。その後、排出室１３の排出口に設けられたシャッター５８が開かれる。こうして、型セット４０は不図示の搬送アームにより外部へ排出され、工程完了となる。
（型セット４０の構成）
【００２２】
図２に示すように、型セット４０は、第１の型としての下型４２、第２の型としての上型４５、保持部材４８、及びスリーブ４９を有している。下型４２は段付き円柱状をなし、大径のフランジ部４３と小径の柱状部４２１とを有している。フランジ部４３と柱状部４２１との境界は、平坦面４３ａに形成されている。また、柱状部４２１の先端部に、凸非球面状の成形面４２ａが形成されている。
【００２３】
上型４５は段付き円柱状をなし、大径のフランジ部４６と、中間径の第１の柱状部４５１と、小径の第２の柱状部４５２とを有している。この第２の柱状部４５２の先端部に、凹球面状の成形面４５ａが形成されている。
なお、本実施の形態では、下型４２の成形面４２ａを凸非球面状とし、上型４５の成形面４５ａを凹球面状としたが、これに限らない。例えば、成形面４２ａを凸球面状とし、成形面４５ａを凹非球面状としてもよく、さらに両方の成形面４２ａ、４５ａを非球面としてもよい。
【００２４】
スリーブ４９は、上端に開口する大径の孔４９１と、下端に開口し大径の孔４９１よりもやや小径の孔４９２とを有し、その境界に平坦な段差面４９ａが形成されている。
下型４２は、スリーブ４９の下端開口側から摺動自在に嵌挿されている。また、上型４５は、スリーブ４９の上端開口側から嵌挿され、そのフランジ部４６は、スリーブ４９の上端面に当接されている。こうして、下型４２と上型４５は、スリーブ４９の内部で、それぞれの成形面４２ａ，４５ａが対向するようにスリーブ４９の両端側から嵌挿されている。
【００２５】
また、保持部材４８は、中心に貫通孔４８ａが形成された略有底の円筒状をなしている。この保持部材４８は、スリーブ４９の内部で下型４２と上型４５との間に挟まれるように配置されている。この保持部材４８は、スリーブ４９の上端開口側から嵌挿されて、スリーブ４９の内側の段差面４９ａに当接支持されている。この保持部材４８の貫通孔４８ａには、下型４２の柱状部４２１が摺動自在に嵌挿されている。
【００２６】
また、この貫通孔４８ａの上端開口側の端縁には、熱可塑性素材５０が支持されている。本実施形態では、この熱可塑性素材５０としてガラス素材が用いられている。この熱可塑性素材５０は、球状に加工されている。
なお、下型４２及び上型４５は、タングステンカーバイド（ＷＣ）等の超硬合金を研削・研磨して仕上げられている。また、熱可塑性素材５０は、市販の光学ガラスが用いられている。
【００２７】
また、スリーブ４９の両端開口側の端面と上型４５のフランジ部４６との平面度は、それぞれ２μｍ以下に加工されている。上型４５の成形面４５ａのチルトは、この平面度に大きく影響するためである。なお、平面度とは、ＪＩＳ規格では、互いに平行な２つの平面の間の空間を表わすと定義されている。
また、保持部材４８の最外径とスリーブ４９の大径の孔４９１とのクリアランスは、１０μｍ程度に設定されている。保持部材４８は、スリーブ４９と嵌合しながら持ち上げられるため、保持部材４８はスリーブ４９とのクリアランスがないと摺動しないが、クリアランスが大きすぎると、保持部材４８のチルトが大きく発生し、本発明の効果が発揮できなくなる恐れがある。
【００２８】
次に、前述した成形室１２での具体的な作業内容を説明する。
型セット４０は、予備室１１から成形室１２の第１ステージ１５に搬入される。そして、第１ステージ１５の下プレート２６の中心に位置決めされる。その後、上プレート２４が下降し、型セット４０の上面に当て付けられる。なお、本実施の形態では、熱可塑性素材５０は、当初は上型４５と非接触となっているため、上プレート２４の荷重や衝撃で割れることはない。
【００２９】
このため、熱可塑性素材５０がどんなに微小なサイズであっても、割れないようにするために上プレート２４の荷重を小さくする必要はない。ただし、その後、成形工程で押し上げ部材３０が下方から下型４２を持ち上げるため、上プレート２４の荷重は、この押し上げ部材３０の加圧力よりも大きくする必要がある。これは、上プレート２４の移動を防止するためである。
ここで、熱可塑性素材５０が成形可能な粘度状態になるまで、上・下プレート２４，２６により型セット４０を加熱する。
【００３０】
このときの加熱温度は、型セット４０の温度が熱可塑性素材５０のガラス屈伏点よりも１０℃〜３０℃高い温度になるように、上・下カートリッジヒータ２５，２７により加熱する。加熱時間は、熱可塑性素材５０の材料と体積によって調整することができる。
加熱により、熱可塑性素材５０が成形可能な粘度状態になったとき、下プレート２６の中心に収容されていた押し上げ部材３０が上方に向けて移動し、プレスを開始する。この押し上げ部材３０は、スリーブ４９の内径よりも細い。下型４２は、この押し上げ部材３０により持ち上げられる。
【００３１】
押し上げ部材３０による押し上げ荷重は、熱可塑性素材５０の材料や加熱時間、加熱温度にもよるが、型中心軸Ｏ−Ｏと垂直面の熱可塑性素材５０の断面積でおよそ１ｍｍ２当り１ｋｇｆである。熱可塑性素材５０を十分に加熱軟化しておけば、型中心軸Ｏ−Ｏと垂直面の熱可塑性素材５０の断面積で１ｍｍ２当り３ｋｇｆやそれ以上の高荷重でも熱可塑性素材５０が割れずにプレスを行うことができる。こうして、比較的短時間で熱可塑性素材５０のプレスを完了することができる。
このことは、熱可塑性素材５０と、下型４２の成形面４２ａ及び上型４５の成形面４５ａとが高温で接触する時間が短くて済むことを意味する。このため、成形後の光学素子に曇りや発泡等が発生するおそれが軽減される。
【００３２】
また、押し上げ部材３０の下プレート２６からの突出量は、不図示のマイクロメータにより把握できるようになっている。この押し上げ部材３０の突出量と型構成から、プレス中の熱可塑性素材５０の中心肉厚が算出される。
熱可塑性素材５０をある中心肉厚までプレスしたとき、次に、上・下プレート２４，２６の温度がガラス屈伏点付近の温度になるまで冷却され、プレス速度を抑制する。
【００３３】
これは、熱可塑性素材５０の中心肉厚の精度を高めるためである。押し付け荷重については、このとき、同時に低下させてもよいし、別の工程で低下させてもよい。さらに、ある程度の中心肉厚までプレスしたとき、上・下プレート２４，２６の温度をガラス転移点以下の温度にまで下げる。こうして、熱可塑性素材５０の成形面にヒケ、はがれが発生しないように荷重を加えながら熱可塑性素材５０を固化する。
【００３４】
熱可塑性素材５０の温度がガラス転移点以下になったら、再び押し上げ部材３０を下プレート２６内に収容する。これに伴い、下型４２は自重で落下し下プレート２６上に戻る。上プレート２４も、シリンダ２８の駆動により型セット４０から上昇して離れる。その後、型セット４０は不図示の搬送アームによって第２ステージ１６に搬送される。
この第２ステージ１６では、シリンダ３８により上プレート３４を下降させ、この上プレート３４を型セット４０の上型４５に当てつける。こうして、型セット４０を上・下プレート３４，３６間に挟み込んで冷却する。これにより、型セット４０内において、熱可塑性素材５０が所望形状に成形されてできた成形品５２が冷却される。この場合、上・下プレート３４，３６の温度は、２００〜４００℃程度が好ましい。
【００３５】
この範囲の温度とすることで、型セット４０が次の排出室１３で急冷されたときに、成形品５２のサーマルショックによる割れや、型セット４０や排出室１３内の酸化によるダメージを防止することができる。こうして、第２ステージ１６で型セット４０を所定時間冷却した後、成形室１２と排出室１３との間のシャッター５４が開く。
こうして、型セット４０は、不図示の搬送アームにより成形室１２から排出室１３へ搬送される。その後、成形室１２と排出室１３との間のシャッター５４は閉じられる。
（成形工程の詳細説明）
【００３６】
図２〜図４は、本実施の形態の光学素子の製造工程を示す図である。また、図５は、本実施の形態におけるフローチャートを示す図である。なお、図２〜図４に示した上型４５及び保持部材４８は、図１に示したものと若干形状が相違するが、説明の便宜上、これらは同一のものとする。
【００３７】
図２において、スリーブ４９内に支持されるように、保持部材４８を下型４２及び上型４５の対向面間に配置し、この保持部材４８に支持されるように、熱可塑性素材５０を配置する（図５のＳ１）。保持部材４８は、熱可塑性素材５０の機能面予定面よりも外側の部位を支持することができる。本実施の形態では、熱可塑性素材５０を、保持部材４８の中心に形成された貫通孔４８ａの上端縁で支持している。
なお、機能面予定面とは、熱可塑性素材５０が成形されて成形品（光学素子）５２となった場合の、その成形品（光学素子）５２の光学機能面をいう。
【００３８】
この状態から、押し上げ部材３０に押されて下型４２が上方移動する。すると、下型４２の先端の成形面４２ａが上方移動して熱可塑性素材５０に接触し、この熱可塑性素材５０が持ち上げられる（図５のＳ２）。
これにより、図３に示すように、熱可塑性素材５０は、保持部材４８から離れて上型４５の成形面４５ａに当てつけられる。こうして、熱可塑性素材５０は下型４２の成形面４２ａと上型４５の成形面４５ａとの間に挟まれ、成形が開始される（図５のＳ３）。
【００３９】
さらに、下型４２は上方へ持ち上げられ続けるが、その途中で下型４２のフランジ部４３の上端面４３ａが、保持部材４８の下面４８ｂと接触し、保持部材４８を持ち上げる。
続いて、熱可塑性素材５０は、下型４２の上方移動により、下型４２の成形面４２ａと上型４５の成形面４５ａとの間で加圧成形される。こうして、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐ（図４参照）と保持部材４８の回転中心とが一致するような位置関係の下で、熱可塑性素材５０の成形を完了する（図５のＳ４）。
【００４０】
この場合、図４において、保持部材４８の高さ（中心軸Ｏ−Ｏ方向の寸法）を一定としたときに、保持部材４８のチルト（回転）という現象について考える。
すると、保持部材４８は、その高さ及び直径の回転中心Ｐを中心として、スリーブ４９の内径と保持部材４８の直径との間のクリアランスが許す範囲で回転していると考えることができる。
ここで、本実施の形態では、熱可塑性素材５０が所望の中心肉厚までプレスされたときにおいて、保持部材４８の回転中心Ｐと下型４２の成形面４２ａの球心Ｐとが一致するように設定している。
【００４１】
下型４２の平坦面４３ａが保持部材４８の下面４８ｂを当て付けて持ち上げるため、保持部材４８と下型４２とは一体となってチルトする。そのため下型４２の成形面４２ａの球心Ｐ（非球面の場合は、後述する近軸曲率半径を有する球の中心）は、保持部材４８の回転中心と一致している。このため、保持部材４８のチルトによっては、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐのシフト（中心軸Ｏ−Ｏと直交方向のズレ）は発生しない。
なお、下型４２の成形面４２ａが凸面で、かつ大きい曲率半径を有する構造であれば、下型４２のフランジ部４３とスリーブ４９の内径との嵌合領域の中心に、下型４２の成形面４２ａの球心がくるような構造に設計してもよい。
【００４２】
次に、図６〜図８は、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと非球面球心Ｐとの位置関係を示す図である。
まず、図６に基づき、下型４２の成形面４２ａが非球面である場合の、成形面４２ａの球心Ｐについて説明する。なお、説明の便宜上、下型４２の成形面４２ａが球面の場合の球心も非球面の場合の球心も、同じ符号Ｐ点を用いる。
一般に、非球面形状は[数１]で表わされる。
【数１】
[数１]のＲが「近軸曲率半径（近軸Ｒ）」である。
「近軸曲率半径（近軸Ｒ）」を有する球の中心は、レンズ（光学素子）の中心とみなすことができる。
また、非球面の面頂Ｔから近軸曲率半径（近軸Ｒ）の距離だけ離れた位置が非球面の球心Ｐである。
【００４３】
ここで、図７は、下型４２の非球面球心Ｐと上型４５の非球面球心Ｐ’とが一致しない場合を示している。
この場合、下型４２がチルトすると、下型４２の非球面球心Ｐがスリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏからずれてしまう。
このとき、下型４２の非球面球心Ｐと上型４５の球心若しくは非球面球心Ｐ’とを結ぶ線と、下型４２の非球面軸Ｏ’−Ｏ’とのなす角θは、下型４２のチルト角度以上に大きくなる。
【００４４】
これに対し、図８は、成形時に保持部材４８がスリーブ４９と嵌合して回転する回転中心Ｐと下型４２の非球面球心Ｐとを一致させた場合を示している。
こうすることで、下型４２の非球面球心Ｐのスリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏからのシフトを防ぐことができる。
ただし、下型４２の非球面軸Ｏ’−Ｏ’のチルトは、下型４２がチルトした分だけ発生する。
【００４５】
このとき、下型４２の非球面球心Ｐと上型４５の球心若しくは非球面球心Ｐ’とを結ぶ線と、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏとのなす角θはゼロとなる。
このように、下型４２の成形面４２ａが非球面の場合、動かさないポイントＰを決めることができる。なお、このポイントＰを、非球面の近軸曲率半径（近軸Ｒ）を有する球の中心と一致させるか、又は非球面の面頂と一致させるかは、設計者次第で選択することができる。
また、上述では下型４２の成形面４２ａを非球面とした例を説明したが、本発明では、上型４５の成形面４５ａを非球面とし、かつ下型４２の成形面４２ａを球面とすることができる。この組み合わせによれば、下型４２の球心Ｐが、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏ上に位置し、上型４５の非球面軸上に下型４２の球心Ｐを配置することができ、面間偏心精度の高い非球面レンズを得ることができる。
（下型のシフトに関して）
【００４６】
図９は、下型４２がスリーブ４９に嵌合しているときの断面図を示す。
下型４２がスリーブ４９に嵌合しているときは、下型４２の姿勢はチルトとシフトによって表現することができる。
図９において、下型４２がスリーブ４９内で嵌合しているとき、下型４２が、そのフランジ部４３の高さ方向（スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏ方向）の中心と直径方向（スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと直交方向）の中心との交点（下型４２の回転中心）Ｑを中心として回転したとする。
【００４７】
このとき、前述したように、下型４２の回転をチルトと定義し、また、交点Ｑが直径方向に移動する量をシフトと定義して、区別することができる。この図９は、シフトもチルトもゼロの状態を示している。
例えば、図１０Ａは、シフトはゼロでチルトが最大となった場合の型セットの断面を示し、図１０Ｂは、その部分拡大図を示している。
【００４８】
この図１０Ａにおいて、下型４２の回転中心Ｑから球心Ｐまでの距離をＬ、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと下型４２の中心軸Ｏ’−Ｏ’とのなす角度をθとし、面間偏心量λを、
λ＝Ｌ×ｔａｎθ
で定義する。
（近似的には、θをラジアンで表わすと、λ≒Ｌ×θとなる。）
【００４９】
このため、例えば、下型４２とスリーブ４９との嵌合長ｗ＝４ｍｍ、クリアランスｃ＝１０μｍのとき、下型４２のチルトθはθ＝８．６分発生し得る。
このとき、下型４２の全長ＹがＹ＝１１ｍｍであるとき、下型４２のシフト０、チルト最大の場合は、面間偏心量λは、λ＝２２．５μｍシフトすることになる（図１０Ｂ参照）。
【００５０】
これに対し、図１１は、シフト最大でチルト０の場合の型セットの断面図である。
この図１１において、チルト０の場合は、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐはスリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏからクリアランスの半分の５μｍしかシフトしない（面間偏心量）。
すなわち、下型４２の全長Ｙが長いほど、シフトよりもチルトの方が面間偏心量に影響を与える。
【００５１】
例えば、図１２は、図１０Ａの状態から、下型４２の全長Ｙを長くした場合の型セットの断面図である。
同図１２において、下型４２とスリーブ４９との嵌合長ｗ＝４ｍｍ、クリアランスｃ＝１０μｍ、下型４２の全長Ｙが図１０Ａの状態より倍のＹ＝２２ｍｍである場合は、図１０Ａと嵌合長ｗとクリアランスｃが同じため、チルトθは同じく８．６分発生し、面間偏心量λは図１０Ａの倍のλ＝４５μｍとなる。
また、図１３は、図１０Ａから下型４２の嵌合長ｗを長くした場合の型セットの断面図である。
同図１３に示すように、クリアランスｃ＝１０μｍのとき、チルトを防ぐ目的で下型４２とスリーブ４９の嵌合長ｗを図１２の場合よりも倍のｗ＝８ｍｍにしたとする。すると、チルトθは半分のθ＝４．３分発生しうる計算となる。
【００５２】
図１０Ａの状態から、下型４２とスリーブ４９との嵌合長ｗが４ｍｍ伸びた分、下型４２の全長ＹがＹ＝１５ｍｍになるため、面間偏心量λはλ＝１３．８μｍだけシフトすることになる。
これは、前述した図１０Ｂの面間偏心量の半分よりも大きい。すなわち、下型４２とスリーブ４９との嵌合長ｗを伸ばしてチルトを防いだとしても、その分、下型４２の先端が嵌合領域から遠ざかる。このため、面間偏心の改善効果は一部相殺されてしまう。よって、相殺分を見込んで長い型構成にしないとチルト対策ができない。
【００５３】
しかし、下型４２とスリーブ４９との嵌合長ｗを伸ばすと、型セット４０の全長が延びてしまう。この場合、型セット４０の熱容量が大きくなり熱可塑性素材５０の加熱等に長時間を要する等の不具合が生じる。また、嵌合長ｗを長くしても下型４２の全長が長くなると面間偏心λが大きくなる。
つまり、クリアランスｃが一定なら、シフトが少ないほど大きなチルトが発生しやすい。また、下型４２の姿勢が毎回ランダムに変わるとすると、シフト位置は正規分布に従う。すなわち、シフトは、シフトしうる最大値付近になる確率は低く、それゆえ、下型４２はチルトしやすい位置になりやすい。
以上のように、一般的な型構成では、チルトが原因となって面間偏心が発生しやすい。また、対策をとると型構成が大きくなってしまう。
【００５４】
本実施の形態によれば、下型４２のシフトが発生しない状態でチルトしたとき、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと下型４２の中心軸Ｏ’−Ｏ’との交点に、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐ（非球面の場合は近軸Ｒの中心）が一致するようにしたので、下型４２がどれだけチルトしたとしても成形品の面間偏心が発生しないようにすることができる。
しかも、本実施の形態によれば、型の寸法を大きくすることなく成形品の面間偏心の発生を防止することができる。
［実施の形態２］
【００５５】
図１４及び図１５は、本実施の形態の型セット４０の断面図である。
なお、実施の形態１と同一又は相当する部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施の形態では、下型４２の成形面４２ａが凹球面又は凹非球面で、これと上型４５の凹状の成形面４５ａとの間に配置された保持部材４８を介して熱可塑性素材５０が支持された場合を考える。そして、保持部材４８の中心に形成された貫通孔４８ａの上端縁に球状の熱可塑性素材５０が支持されている。
【００５６】
図１５において、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐが、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと下型４２の中心軸Ｏ’−Ｏ’との交点と一致しているとする。
このため、下型４２がチルトしたとしても、成形品の面間偏心は発生しない。これは、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐは動かない点であるため、下型４２の成形面４２ａがどのようにチルトしたとしても、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏに対して、球心Ｐがずれることはないからである。
【００５７】
次に、図１６及び図１７は、熱可塑性素材５０が平板状をなしているときの実施の形態を示している。
この場合も、図１７において下型４２の成形面４２ａの球心Ｐが、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと下型４２の中心軸Ｏ’−Ｏ’との交点と一致している。
このため、前述と同様に、下型４２がチルトしたとしても、熱可塑性素材５０が成形された後の光学素子の面間偏心は発生しない。
【００５８】
本実施の形態によれば、下型４２の成形面４２ａが凹面である場合にも、下型４２の成形面４２ａの球心Ｐと、スリーブ４９の中心軸Ｏ−Ｏと下型４２の中心軸Ｏ’−Ｏ’との交点とを一致させることで、成形品の面間偏心の発生を防止することができる。
また、本実施の形態によれば、型の寸法を大きくすることなく成形品の面間偏心の発生を防止することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 成形装置
１１ 予備室
１２ 成形室
１３ 排出室
１４ プレート
１５ 第１ステージ
１６ 第２ステージ
１７ シャッター
１８ チャンバー
１９ 導入管
２０ 真空ポンプ
２１ シャッター
２４ 上プレート
２５ 上カートリッジヒータ
２６ 下プレート
２７ 下カートリッジヒータ
２８ シリンダ
２９ 貫通孔
３０ 押し上げ部材
３４ 上プレート
３５ 上カートリッジヒータ
３６ 下プレート
３７ 下カートリッジヒータ
３８ シリンダ
４０ 型セット
４２ 下型
４２１ 柱状部
４２ａ 成形面
４３ フランジ部
４５ 上型
４５１ 第１の柱状部
４５２ 第２の柱状部
４５ａ 成形面
４６ フランジ部
４８ 保持部材
４８ａ 下面
４９ スリーブ
４９ａ 段差面
４９１ 大径の孔
４９２ 小径の孔
５０ 熱可塑性素材
５２ 成形品
５４ シャッター
５６ 放熱板
５８ シャッター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向配置された下型及び上型が嵌挿されるスリーブ内に支持されるように、該下型及び該上型の間に保持部材を配置し、該保持部材に支持されるように、熱可塑性素材を配置する配置工程と、
前記配置工程後、前記下型を上方移動させて、前記熱可塑性素材を持ち上げる工程と、
持ち上げられた前記熱可塑性素材を、前記上型に当接させて成形を開始する工程と、
前記下型のさらなる上方移動により前記保持部材を持ち上げて、前記下型の成形面の球心または面頂と前記保持部材の回転中心とが一致するように前記熱可塑性素材の成形を完了する成形完了工程と、を有することを特徴とする、光学素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の光学素子の製造方法において、
前記下型の成形面は、球面であり、
前記成形完了工程では、前記球心と前記回転中心とが一致するように成形を完了することを特徴とする、光学素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の光学素子の製造方法において、
前記下型の成形面は、非球面であり、
前記球心は、前記成形面の近軸曲率半径を有する球の中心であることを特徴とする、光学素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか記載の光学素子の製造方法において、
前記保持部材は、前記熱可塑性素材の機能面予定面よりも外側の部位を支持することを特徴とする、光学素子の製造方法。
【請求項１】
対向配置された下型及び上型が嵌挿されるスリーブ内に支持されるように、該下型及び該上型の間に保持部材を配置し、該保持部材に支持されるように、熱可塑性素材を配置する配置工程と、
前記配置工程後、前記下型を上方移動させて、前記熱可塑性素材を持ち上げる工程と、
持ち上げられた前記熱可塑性素材を、前記上型に当接させて成形を開始する工程と、
前記下型のさらなる上方移動により前記保持部材を持ち上げて、前記下型の成形面の球心または面頂と前記保持部材の回転中心とが一致するように前記熱可塑性素材の成形を完了する成形完了工程と、を有することを特徴とする、光学素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の光学素子の製造方法において、
前記下型の成形面は、球面であり、
前記成形完了工程では、前記球心と前記回転中心とが一致するように成形を完了することを特徴とする、光学素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の光学素子の製造方法において、
前記下型の成形面は、非球面であり、
前記球心は、前記成形面の近軸曲率半径を有する球の中心であることを特徴とする、光学素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか記載の光学素子の製造方法において、
前記保持部材は、前記熱可塑性素材の機能面予定面よりも外側の部位を支持することを特徴とする、光学素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１１−１６６６９（Ｐ２０１１−１６６６９Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６０４２９（Ｐ２００９−１６０４２９）
【出願日】平成２１年７月７日（２００９．７．７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月７日（２００９．７．７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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