CN1572732A - 模压成形装置及光学元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的模压成形装置，其设有对置的上下成形模和对该上下成形模进行加热的加热手段，其中，其还分别设有：至少具有一对的上述上下成形模的复数对上下母模型102a、102b、104a、104b，分别支承该复数对上下母模型的复数对上下加压轴110、112，支承上述复数对上下加压轴的上下支承构件114、116，为了使上述上下成形模相对接近及离开而使上述上下支承构件的至少一方移动的驱动手段，设置于上述上下支承构件的至少一方的冷却水路116a、116b的调温手段。这样，能够防止支承多个母模型的支承构件的热变形，提高光学元件的偏心精度。

Description

模压成形装置及光学元件的制造方法

技术领域

本发明涉及的是在光学元件制造工序中，使成形坯料(预备成形的预制件等)加热软化，再用成形模加压成形，用于形成光学元件的模压成形装置及光学元件的制造方法。

背景技术

若把加热软化状态的成形坯料、例如玻璃坯料，在精密加工成规定形状、加热到规定温度的成形模中加压成形，将该成形面复制到玻璃坯料上，则即使不进行磨削、研磨之类的后处理，也能获得表面精度、形状精度均高的光学元件。

这时，为了高效地生产光学元件(如透镜)，一般都是采用在母模型上配设多个成形模、用一次加压动作形成多个透镜的装置。

在采用这类成形装置、一次加压成形多个成形坯料时，若利用感应加热线圈之类的加热手段对成形母模型加热，则有时在母模型的上下面会产生温度差，导致母模型产生如附图4所示的弯曲。这是由于热量从支承母模型的压力轴处逸散，从而难以使母模型的整体温度均匀。

特别是在母模型上配设多个成形模、多个同时进行加压时，由于母模型弯曲的影响更大。因此，根据母模型上的成形模位置，成形的光学元件的厚度发生变动，或者有损于上下的同轴性，使偏心精度(倾斜)不良。这一问题随着母模型上配设的成形模的数量越多，或是成形的光学元件的直径越大越是明显。

因此，本申请人曾提出了日本专利特开2003-54967号所记载的技术方案。该项技术方案是在多个同时进行加热时，使母模型水平方向的大小在规定值以下，母模型为多个、且该多个母模型由多个压力轴单一地固定在支承构件上，并由一根主轴对其进行驱动的成形装置。采用该成形装置后，可以维持同时加压的光学元件的数量，且缩小弯曲的影响。

因此，采用了日本专利特开2003-54967号记载的成形装置后，可以进行某种程度偏心精度的加压成形。但是，光学元件所要求的精度越来越高，如光传感器用的物镜，随着记录密度的增大，偏心精度的允许范围更加狭隘，有时采用上述成形装置所得到的产品偏心精度未必充分。

所以本发明者为了进一步提高偏心精度，寻找对于偏心精度产生不良影响的主要原因，结果发现只要在支承多个加压轴的支承构件上稍微产生热变形，这种现象就会对透镜的厚度精度及偏心精度带来不良影响。

即是：加压成形装置在利用加热手段升温之前的位置关系如附图5(a)所示，上母模型102a、102b和下母模型104a、104b之间对置面处于水平状态，上下成形模的轴相一致。但是，当加热到适合加压成形的温度后，母模型达到高温(根据成形坯料有时达600℃以上)，这时上下支承构件114、116由于热传导和热辐射而产生热变形，如附图5(b)所示，支承多个母模型的多个加压轴相对于主轴稍微倾斜，从而使加压成形的透镜的上下面轴发生倾斜。这就是使透镜的厚度精度和偏心精度不良的原因。

因此，只要通过抑制加压轴的倾斜，进而就能提高厚度精度和偏心精度。

本发明鉴于上述情况，目的是要提供一种模压成形装置及光学元件的制造方法，采用这种成形装置后，即使是偏心精度的公差极小的光学元件也能由加压成形稳定生产，而且即使采用缩短循环时间的非等温加压，也能以高精度的厚度同时稳定生产多个元件。

发明的内容

本发明的模压成形装置，其设有对置的上下成形模和对该上下成形模进行加热的加热手段；其中，其还分别设有：至少具有一对的上述上下成形模的复数对上下母模型，分别支承该复数对上下母模型的复数对上下加压轴，支承上述复数对上下加压轴的上下支承构件，为了使上述上下成形模相对接近及离开而使上述上下支承构件的至少一方移动的驱动手段，设置于上述上下支承构件的至少一方的调温手段。

具有这样的结构，就能对于支承构件进行调温，防止支承构件的热变形，由此就可以防止起因于支承构件热变形的成形元件厚度精度和偏心精度的降低。

此外，本发明的模压成形装置，调温手段设置在上述支承构件的内部以及/或者外部。

具有这样的结构，就能从支承构件的内部以及/或者外部进行调温，可以有效地防止支承构件的热变形。特别是若对支承构件的内部进行调温，则可以缩小支承构件内部的温度差。

此外，本发明的模压成形装置，调温手段是冷却手段。

具有这样的结构，就能在短时间内高精度地调整支承构件的温度分布，可以有效防止热变形。

本发明的模压成形装置，在上述上下支承构件和上下母模型的间隙中，至少在一方的间隙中，介入设置热阻值为1K/W以上的热阻体。

具有这样的结构，就能抑制热量从母模型传递到支承构件，与对于支承构件的调温相结合，可以谋求进一步提高成形元件的偏心精度。

为了达到上述目的，本发明的光学元件的制造方法，其在使用上述模压成形装置，用含有模型加热工序、坯料供给工序及加压工序的方法制造光学元件时，在上述各工序中，至少在模型加热工序中进行上述支承构件的调温。

因此，若至少在母模型加热到高温的模型加热工序中对支承构件进行调温，就能有效防止支承构件的热变形，进而可以谋求光学元件偏心精度的提高及均一化。

本发明的光学元件的制造方法，其是通过所说的调温，来维持支承支承构件的一侧的面上的温度分布在5℃以下的，最好维持在2℃以下。

这样，若是将支承支承构件的加压轴侧的面上的温度分布维持在5℃以下、最好维持在2℃以下，就能抑制水平面上中心轴附近发生热量积留，可以切实防止支承构件的热变形。

本发明的光学元件的制造方法，在加热了的多个上下成形模中，分别同时供给加热到比该上下成形模温度高、软化了的成形坯料，并且，由上述上下成形模同时加压。

这样，就能在短时间内制造高精度、均一的光学元件。

附图的简要说明

图1是表示本发明一实施方式的模压成形装置主要部分结构的部分剖面侧视图，(a)表示预制件的供给状态，(b)表示加压状态，(c)表示脱模状态。

图2是图1所示模型的概略俯视图。

图3是图1所示支承构件的概略平面剖面图。

图4是表示母模型热变形(弯曲)的图。

图5是表示模压成形装置的支承构件发生热变形时主要部分结构的侧视图，(a)表示模型加热前的状态，(b)表示模型加热工序的状态，(c)表示预制件的供给状态。

实施发明的最佳方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

下面按照适用于玻璃光学元件制造的实施方式对于本发明进行说明，但是本发明的模压成形装置并不限定于该实施方式，也能适用于树脂制光学元件的制造，或者玻璃及树脂制光学元件以外的零件的制造。

图1是表示本发明一实施方式的模压成形装置主要部分结构的部分剖面侧面图，图2是下模型的概略平面图。该模压成形装置是采用预先将玻璃坯料成形为扁平球状的作为被成形体的预制件成形为透镜。如图1所示，该模压成形装置，具有由上模102及下模104构成的成形模组。上模102及下模104均具有左右方向长的长工件形状，在其周围分别设有感应加热线圈122、124。该感应加热线圈122、124通过高频感应加热分别对上模102及下模104进行加热。

上模102具有左右一对母模型的上母模型102a、102b，下模104具有左右一对母模型的下母模型104a、104b。上母模型102a、102b和下母模型104a、104b在垂直方向分别具有相互对置的多个(本实施方式为各3个)上成形模105a和下成形模105b(参照图2)。

上下母模型102a、102b、104a、104b的原材料采用能够感应加热发热、具有耐热性的发热体。作为这类发热体以采用热膨胀系数和成形模105a、105b的坯料相近似的材料为佳，例如可以采用钨合金、镍合金等。

上母模型102a、102b和下母模型104a、104b的对置面中，由于是决定关闭上下成形模105a、105b时的位置，所以适宜设有销或套筒之类定位的构件。

此外，呈一列配置的上下成形模105a、105b可以采用碳化硅、氮化硅等陶瓷或超硬合金。

上下成形模105a、105b的成形面，为了精密加工为成形光学元件的形状、为了提高脱模性，适宜设有脱模膜。脱模膜可以使用贵金属(铂、铱、金等)或以碳为主成分的膜。

上母模型102a、102b上面，分别固定有支承板106a、106b，支承板106a、106b上面分别安装有上加压轴110a、110b。上加压轴110a、110b通过共同的支承构件114，安装在固定轴118上。另一方面，下母模型104a、104b的下面，分别固定有支承板108a、108b，该支承板108a、108b的下面分别安装有下加压轴112a、112b。下加压轴112a、112b通过共同的支承构件116，安装在驱动轴120上。驱动轴120通过具备AC伺服电动机的驱动装置，朝垂直方向直进驱动，其轴心与上模102和下模104的各长方向中心相一致。若驱动轴120朝垂直方向移动，则可进行上模102和下模104的开闭。由驱动轴120及驱动装置等构成驱动手段。

固定轴118和驱动轴120的轴心和相对于上下母模型的对置面相平行。

本实施方式中，可以是上模固定、下模进行上下动作，也可以是下模固定、上模进行上下动作，或者是上下模都进行上下动作。

如上所述，上母模型102a、102b和下母模型104a、104b通过上下支承板106a、106b、108a、108b固定于上下加压轴110、112上。因此，作为上下加压轴110、112和上下支承板106a、106b、108a、108b，可以通过选择热量难以传递的形状及材料，来抑制热量波及到支承构件上。此外，若在上下加压轴110、112和上下支承板106a、106b、108a、108b处使用热阻体，则可以进一步抑制热传递。在此，热阻体是指热阻为1K/W(开耳芬/瓦)以上的热阻体、例如，通过采用导热率小的材料或者是加工成中空的形状等，可以获得上述热阻体。例如若采用Si₃N₄、ZrO₂等材料、中空的加压轴，则能有效地抑制热量波及到支承构件，从而抑制支承构件的热变形。这里，热阻可以用下式表示：

R＝d/(A·K)

R：热阻、d：距离(长度)、A：面积、K：导热率。

图2是从上方看到的下模104(下母模型104a、104b)及其周围的感应加热线圈124的俯视图。上模102(上母模型102a、102b)的平面状态也和下模104相同，图中在括号内标柱了与上模相对应的符号。

为了使感应加热线圈124包围下母模型104a、104b的两侧，要按照上述下母模型104a、104b外周的形状卷绕。设在上母模型102a、102b周围的感应加热线圈122也具有和感应加热线圈124相同的平面形状。

上下支承构件114、116适宜使用耐热性、加工性好、机械强度高的材料，线膨胀系数以在18×10^-6/℃以下为好。作为原材料可以采用不锈钢等。

上下支承构件114、116的大小，要具有能固定多个加压轴的面积，同时厚度最好是根据位于各加压轴的断面惯性矩及纵弹性模量计算的支承构件挠度为2μm以下。

这里，挠度(δ)为δ＝βWL³/EI(W：负载、L：距离(这里是两根加压轴的间距)、E：纵弹性模量、I：断面惯性矩、β：挠度系数)。

上下支承构件114、116设有调温手段。上下支承构件114、116的调温是对因加热而达到高温的上下母模型102a、102b、104a、104b的热量，在由加压轴110a、110b、112a、112b和支承构件114、116以及固定轴118和驱动轴120传递逸散时所产生的支承构件上下方向不均匀的温度分布进行调整，使支承构件上不产生不均匀的热膨胀。具体地说，可以在上下支承构件114、116的外周以及/或者内部使冷却介质循环来进行调温。

参照图1(b)及图3，对形成于下部支承构件116上的调温手段的一例加以说明。

该调温手段由从外部把冷却水导入到固定于下部支承构件116上的驱动轴120的导水路121a及将冷却水返回到外部的回水路121b、和形成于下部支承构件116内部的水路116a和连水路116b所构成。形成于下部支承构件116内部的水路116a，在支承构件116的上面侧呈蜿蜒流淌形成，其一端和导水路121a连通，另一端和回水路121b连通。

这样，从导水路121a导入的一定温度的冷却介质(例如冷却水)从下部支承构件116的大致中央部送入到水路116a中，首先对支承构件116的上面侧左半部分作蜿蜒流淌冷却后，从图中左端部通过连水路116b送到右端部，接着对下部支承构件116的上面侧右半部分作蜿蜒流淌冷却，然后从下部支承构件116的大致中央部通过回水路121b返回到外部。

这时，适宜采用备有热交换器的冷却装置，使经常保持一定温度的水之类的冷却介质在下部支承构件116中循环。

设有这样的调温手段后，即使对下部母模型加热，也不会使下部支承构件116的温度达到规定值以上，可以缩小支承构件局部的温差，不会使下部支承构件116变形。

另外，除了采用流体来进行调温之外，也可以采用派耳帖元件(Peltier element)等电子冷却装置。

由于调温手段取决于支承构件上温度分布的平衡，所以也可以利用加热手段或者并设冷却手段和加热手段。

进而，调温手段可以设在下部支承构件116的外周，例如设置卷绕下部支承构件116的冷却水路，或者，也可以从下部支承构件116的周围喷吹冷风。

进而，也可以在下部支承构件116的内部及外部并设调温手段。

上述调温手段并设于上下支承构件或是单设置于任意一方的支承构件均可，在上部支承构件114上设置调温手段时，可以设置和下部支承构件116相同的调温手段。

因此，在由加压轴支承各母模型、由一个支承构件支承多个加压轴的模压成形装置中，由于能够防止支承构件的热变形，所以抑制了因母模型热变形而引起的透镜厚度的参差不齐或者偏心精度的不良。而且，由于支承构件如同母模型不处于高温下，所以不会受到热变形的影响。使用本发明后，可以达到进一步提高偏心精度、高合格率地稳定生产光学性能更高的成形元件(光学元件)。

〔玻璃光学元件的制造方法〕

下面，就采用上述结构的玻璃光学元件制造装置制造本发明的玻璃光学元件的方法的实施方式加以说明。

(a)模型加热工序

由高频感应加热线圈把上下母模型加热到规定温度。连续成形时，上一次成形周期结束状态下的上下成形模，由于冷却到Tg附近或Tg以下的温度，所以有必要加热到适宜于加压成形的温度。即，使卷绕在上母模型和下母模型周围的感应加热线圈通电流，使上下母模型发热，由于此热传导使上下各成形模加热到规定温度。

上下母模型的发热体发热升温，多个成形模温度上升。上下母模型的温度设定值可以上下一致，也可以设有温度差。例如，根据成形的光学元件的形状或直径，将下母模型温度设定为比上母模型高，或是将下母模型温度设定为比上母模型低。上下母模型的温度可以设定为相当于玻璃预制件粘度在10⁸～10¹²泊。上下母模型411a、411b设有温度差时，最好在2～15℃的范围内。

(b)坯料供给工序

把运送来的预制件(玻璃坯料)供给到加热后的上模及下模之间，配置于下模之上。玻璃坯料的供给采用适当重量的、预先成形为规定形状的玻璃坯料，软化到适合成形的粘度，或者是把温度比适合成形的温度低的玻璃坯料供给到上模及下模之间，在成形模中再进行加热。

在供给预先加热到比模型设定温度还高、处于软化状态的玻璃坯料后(所谓非等温加压)，立即使上下成形模密贴进行加压成形时，在加热的状态下，需要精密地确保成对的上下成形模的同轴性，所以适合于实施本发明。非等温加压可以缩短成形周期时间，有利于提高生产效率。

这时，玻璃坯料的温度为相当于粘度不满10⁹泊的温度，最好为相当于10⁶～10⁸泊。

若在运送被软化了的玻璃坯料配置于下模上时，玻璃坯料接触到运送构件，在表面引起缺陷，则会影响到成形后的光学元件的表面形状，所以最好要使软化了的玻璃坯料在用气体上浮后的状态下运送，并采用使玻璃坯料落下到下模上的工夹具为好。

根据需要，还可以将用于把供给的玻璃预制件落下的下成形模上的位置修正为成形面中央的构件(夹头)，插入于上下母模型之间，或者插入对落下时的玻璃坯料进行导向的漏斗之类的构件。

(c)加压工序

在上模及下模与玻璃坯料分别处于规定的温度范围内、玻璃坯料处于加热软化的状态下，使下母模型上升进行加压，将上下成形模的成形面复制，形成具有规定表面形状的玻璃光学元件。下模的上升是使驱动手段(如伺服电动机)动作来进行的。玻璃坯料在加热软化的状态供给时，供给后立即进行加压。

用于加压的下模的上升行程为预先根据成形光学元件的厚度来设定的值，还要把以后冷却工序中玻璃热收缩的量估计在内。加压的程序可以根据成形光学元件的形状和大小任意设定，也可以采用在初始加压后释放负载，然后进行二次加压之类的多次加压方法。

(d)冷却、脱模工序

在保持加压或是减少加压的状态下，保持成形了的玻璃光学元件和成形模密贴，冷却到相当于玻璃的粘度为10¹²泊的温度，然后使下成形模下降，上下成形模分开、脱模。冷却速度最好为40～200℃/min。脱模温度最好是在相当于粘度为10^12.5～10^13.5泊的温度或在此以下的温度。

(e)取出工序

通过具有吸附构件的取出杆等，从分开的上下模之间自动取出成形的玻璃光学元件。

在本实施方式中为上模固定、下模可动作，但也可以是上模可以动作、而下模固定，或者是上模和下模双方均能动作。

反复进行上述工序，就能连续进行加压成形。

其中，至少要在加热成形模的工序中，对支承构件进行调温。最好是在模型加压、坯料供给、加压等所有工序中对支承构件进行调温。通过这样的调温，适宜使支承构件上下面的温度差保持在5℃以下、最好在2℃以下。此外，支承构件的上面和下面的面内温度差最好也在同样的范围内。

此外，也可以根据装置的加热周期、降温、升温的时机，调整冷却介质的流量。

实施例

如下所示的是采用本发明的成形装置和制造方法来制造玻璃光学元件的实施例和比较例的结果。

〔实施例1〕

采用图1、图2所示的装置，对玻璃坯料进行加压成形。在此，通过在1根加压主轴上设有支承构件、在该支承构件上设有2根加压轴，形成制造采用2个母模型进行加压的成形装置。各母模型上以3个成形模为1组，上下各2个母模型上共载有上下各6个成形模，一次成形6个透镜。

这里所采用的上下支承构件，利用的是本实施方式所说明的冷却水循环型的调温手段。而且，通过该调温手段，在加热、供给、加压的所有工序中进行调温。

采用该成形机，使用硼硅酸盐玻璃(Tg515℃、Ts545℃)的玻璃预制件，进行直径15mm的凹透镜的成形。把上下成形模加热到590℃(相当于玻璃粘度10^8.1泊)后，把加热到625℃(相当于10⁷泊)的玻璃预制件6个同时落下来供给，通过下主轴向上方驱动，使上下成形模密贴、加压。然后，以60℃/分的冷却速度冷却到Tg以下的温度，使下主轴向下方驱动打开模型，取出成形的透镜。

在整个工序中，支承构件整体在30～33℃范围内调温。同时成形的6个透镜的厚度差如下表所示，均在10μm以下，成形偏心斜度也在2分以下，属于良好。

这里所谓的成形倾斜是指由于上下成形模的轴倾斜而引起的透镜偏心。

〔表1〕

成形模位置	A	B	C	D	E	F
							实施例1透镜中心厚度(mm)	1.20	1.20	1.20	1.20	1.20	1.20

〔比较例1〕

采用和实施例1相同的方法，不对支承构件进行调温，同时成形6个透镜。结果是6个透镜的厚度差为最大70μm，成形偏心倾斜为5分以下。

〔表2〕

成形模位置	A	B	C	D	E	F
							比较例1透镜中心厚度(mm)	1.26	1.23	1.20	1.21	1.24	1.27

产业上利用的可能性

采用本发明后，除提供能适用于玻璃光学元件的制造外，还适用于树脂光学元件的制造以及玻璃与树脂光学元件之外的零件制造的模压成形装置。

此外，采用本发明制造的光学元件，例如可以适用于直径2～22mm的凹透镜、凸透镜、双凸透镜等。而且，偏心精度的公差极小(例如倾斜为2分以下)、有效适用于光传感用物镜等。

符号说明

102   上模

102a，102b  上母模型

104   下模

104a，104b  下母模型

105a  上成形模

105b  下成形模

106a  上支承板

106b  下支承板

110a，110b  上加压轴

112a，112b  下加压轴

114   上支承构件

116   下支承构件

116a  水路

116b  连水路

118   固定轴(主轴)

120   驱动轴(主轴)

121a  导水路

121b  回水路

122，124  高频感应线圈

Claims (7)

1.一种模压成形装置，其设有对置的上下成形模和对该上下成形模进行加热的加热手段，

其中，其还分别设有：至少具有一对的上述上下成形模的复数对上下母模型，

分别支承该复数对上下母模型的复数对上下加压轴，

支承上述复数对上下加压轴的上下支承构件，

为了使上述上下成形模相对接近及离开而使上述上下支承构件的至少一方移动的驱动手段，

设置于上述上下支承构件的至少一方的调温手段。

2.如权利要求1所述的模压成形装置，其特征在于所说的调温手段，设置在上述支承构件的内部以及/或者外部。

3.如权利要求1或2所述的模压成形装置，其特征在于所说的调温手段，是冷却手段。

4.如权利要求1或2所述的模压成形装置，其特征在于在上述上下支承构件和上下母模型的间隙中，至少在一方的间隙中，介入设置热阻值为1K/W以上的热阻体。

5.一种光学元件的制造方法，其在使用权利要求1所述的模压成形装置，用含有模型加热工序、坯料供给工序及加压工序的方法制造光学元件时，在上述各工序中，至少在模型加热工序中进行上述支承构件的调温。

6.如权利要求5所述的光学元件的制造方法，其特征在于通过所说的调温，来维持支承支承构件的一侧的面上的温度分布在5℃以下。

7.如权利要求5所述的光学元件的制造方法，其特征在于在加热了的多个上下成形模中，分别同时供给加热到比该上下成形模温度高、软化了的成形坯料，并且，由上述上下成形模同时加压。

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