DE69121663T2

DE69121663T2 - Maschine zum Formen eines optischen Elements und Verfahren zur Herstellung dieses optischen Elements mittels einer Maschine

Info

Publication number: DE69121663T2
Application number: DE69121663T
Authority: DE
Inventors: Takasi Inoue; Shoji Nakamura; Tadao Shioyama; Masaaki Sunohara
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1990-10-26
Filing date: 1991-10-24
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2011-10-25
Also published as: DE69121663D1; EP0482624A1; EP0482624B1; US5188652A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Formgebungsmaschine, die hauptsächlich zum Form pressen eines hochpräzisen, optischen Elements einsetzbar ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen des optischen Elements unter Verwendung der Formgebungsmaschine.
In der Vergangenheit wurden bei der Produktion eines optischen Elements, wie einer optischen Linse, bereits eine Reihe von Versuchen durchgeführt, bei denen das optische Element durch Formpressen unter Aufgabe des Poliervorganges hergestellt wird. Im Augenblick wird auf diese Weise das Formpressen eines optischen Elements bei der Massenproduktion von verschiedenen Herstellern von optischen Linsen verwendet. Bei dem effizientesten Verfahren aus der Reihe der bekannten Formpreßverfahren für ein optisches Element wird geschmolzenes Glasmaterial in eine Form gegossen und anschließend formgepreßt. Jedoch ist es bei diesem bekannten Verfahren schwierig, präzise die Glaskontraktion während des Abkühlens des Glases zu steuern, so daß ein hochpräzises, optisches Element nicht effizient hergestellt werden kann. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Temperaturdifferenz bei Glas zwischen einem Schmelzpunkt von ca. 1.300º C, bei dem Glas geschmolzen wird, und einem Umwandlungs- bzw. Transitionspunkt, bei dem Glas sich verfestigt, zu groß ist. Daher ist eine extrem lange Zeitperiode zum Abkühlen des Glases erforderlich. Sogar wenn ein hochpräzises, optisches Element erhalten wird, ist das bekannte Verfahren im Hinblick auf seine Effizienz problematisch. Demzufolge wird bei einem allgemein bekannten Formgebungsverfahren ein Glasrohling zunächst in eine vorläufige Form gebracht und anschließend Preßformen zugeführt, um unter Erhitzung formgepreßt zu werden, wie es beispielsweise in den japanischen Patentveröffentlichungen zur Offenlegung Nr. 58-84 134 (1983) sowie 60-200 833 (1985) beschrieben ist.
Die japanische Patentveröffentlichung zur Offenlegung Nr. 61-26 528 (1986) offenbart eine Maschine zum Pressen einer Linse, die eine Einlaßkammer für eine Glasvorform, eine Heizkammer, eine Preßkammer, eine Kammer zum allmählichen Abkühlen sowie eine Auslaßkammer für die Linse aufweist. Bei dieser bekannten Maschine sollte in dem gesamten Maschinengehäuse ein Vakuum erzeugbar sein. Weiterhin werden mehrere Preßformen verwendet, um eine Steigerung der Produktionsrate zu erzielen. Jedoch ist diese bekannte Maschine sehr teuer, da in dem gesamten Maschinengehäuse ein Vakuum herstellbar sein soll. Da weiterhin mehrere, mit hoher Genauigkeit hergestellter Preßformen eingesetzt werden, steigen die Produktionskosten der Linsen beträchtlich.
Weiterhin offenbart die japanischen Patentveröffentlichung zur Offenlegung Nr.62- 292 628 (1987) eine Maschine, bei der der Heizvorgang, der Preßvorgang und der Abkühlvorgang für die Preßformen in einer einzigen Kammer ausgeführt werden kann. Hierbei werden die Preßformen effizient von oben und unten erhitzt. Jedoch ist die Produktivität dieser bekannten Maschine aufgrund des hierbei auftretenden, diskontinuierlichen Transports der Formen gering. Weiterhin weist diese bekannte Maschine einen Nachteil dahingehend auf, daß ein großer, einheitlicher Erhitzungsabschnitt durch eine Heizquelle nicht erzielt werden kann.
Die japanischen Patentveröffentlichungen zur Offenlegung Nr.62-292 636 (1987) sowie Nr.2-34 526 (1990) offenbaren eine Maschine, bei der die Preßformen von einer Seite aus erhitzt sowie gekühlt werden. Diese bekannte Maschine weist daher dahingehend Probleme auf, daß die Preßformen nicht effizient erhitzt und gekühlt werden können. Da weiterhin die Temperaturdifferenz in einer vertikalen Richtung der Preßformen auftritt, sind Linsen mit stabilen Leistungsmerkmalen nicht herstellbar.
Weiterhin offenbart das US-Patent Nr. 4,913,718 eine Maschine, bei der ein Glasrohling sowie Preßformen getrennt voneinander auf der gleichen Palette erhitzt werden. Der Glasrohling wird im hochtemperierten Zustand den Preßformen zum Formpressen zugeführt. Jedoch besitzt diese bekannte Maschine einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau und ist aufgrund der Handhabung des Glasrohrlings bei hoher Temperatur usw. teuer.
Weiterhin offenbaren die US-Patente Nr.4,836,838 sowie Nr.4,915,720 eine Vorrichtung zum Formen von Glasartikeln, bei der mehrere Prozeßkammern, die eine Heizkammer, eine Preßkammer sowie eine Kühlkammer umfassen, aufeinanderfolgend entlang eines vorbestimmten Transportkreislauf angeordnet sind. Weiterhin offenbaren diese US-Patente ein Verfahren zum Formen von Glasartikeln. Jedoch weist diese bekannte Vorrichtung sowie das bekannte Verfahren ebenfalls einen komplizierten Aufbau auf.
Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, enthalten die Dokumente des Standes der Technik keine detaillierten Ausführungen zu der Temperaturverteilung und zu dem Aspekt des gleichmäßigen Erhitzens des Glasrohlings, der Preßformen, der Hitzequelle usw., auf denen die Eigenschaften der geformten Teile unmittelbar beruhen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demzufolge besteht eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, nicht nur eine kostengünstige und hocheffiziente Formgebungsmaschine zum Formen eines optischen Elementes zu schaffen, die einfach in ihrem Aufbau ist und die zu einem bemerkenswert gleichmäßigen Erhitzen in der Lage ist, sondern auch ein hocheffizientes Verfahren zum Herstellen des optischen Elements zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird eine Maschine zum Formen eines optischen Elements unter Verwendung eines Formgebungs- bzw. Prägeblocks geschaffen, bei dem eine obere und eine untere Preßform bzw. ebensolche Prägestempel, eine Hülsenform zum Halten bzw. Tragen der Preßformen sowie ein Glasrohling zu einem Teil bzw. als Einheit miteinander kombiniert sind, wobei die Maschine die folgenden Bestandteile aufweist: eine Kammer, die eine Heizzone zum Beheizen bzw. Erhitzen des Formgebungsblocks von oben und unten, eine Deformations- bzw. Verformungszone zum Pressen der Preßformen des Formgebungsblocks sowie eine Kühlzone zum Abkühlen des Formgebungsblocks aufweist und die mit einem Einlaß zum Einbringen bzw. Laden des Formgebungsblocks in die Kammer sowie mit einem Auslaß zum Austragen des Formgebungsblocks aus der Kammer versehen ist, wobei die Heizzone mehrere Abschnitte bzw. Sektionen aufweist, während die Kühlzone mehrere Abschnitte bzw. Sektionen in der Weise aufweist, daß die Abschnitte der Heizzone, die Verformungszone und die Abschnitte der Kühlzone unabhängig voneinander steuer- bzw. regelbar sind; eine Transporteinrichtung bzw. ein Transportmittel zum aufeinanderfolgenden Transportieren der Formgebungsblöcke durch die Heizzone, die Verformungszone und die Kühlzone; einen ersten und einen zweiten Verschluß zum Öffnen und Schließen des Einlasses bzw. des Auslasses; sowie eine Gaszuführeinrichtung bzw. ein Gaszuführmittel zum Einführen von nicht oxidierendem Gas in die Kammer.
Weiterhin schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements unter Verwendung der vorstehend erläuterten Maschine, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält: einen ersten Schritt des Zusammenfügens der oberen und der unteren Preßform bzw. Prägestempel, einer Hülsenform zum Halten bzw. Tragen der Preßformen und eines Glasrohlings zu einer Einheit bzw. zu einem Teil, um einen Formgebungsblock zu erhalten, den zweiten Schritt des Erhitzens bzw. Beheizens des Formgebungsblockes von oben und unten in einem oder mehreren Schritten; den dritten Schritt des Pressens des Glasrohlings mittels der Preßformen in einem oder mehreren Schritten, um so den Glasrohling zu formen bzw. deformieren; und den vierten Schritt des Abkühlens des Formgebungsblocks von oben und unten in einem oder mehreren Schritten; wobei der zweite bis vierte Schritt kontinuierlich in nicht oxidierender Atmosphäre in ein und derselben Kammer ausgeführt wird.
Da bei der vorliegenden Erfindung mehrere unabhängige Temperatur- sowie Drucksteuermittel in der Kammer vorgesehen sind, kann der eine vorbestimmte Hitzekapazität aufweisende Formgebungsblock mit einer extrem hohen thermischen Effizienz in einer vorbestimmten Zeitperiode präzise erhitzt, zur Formgebung gepreßt und einheitlich abgekühlt werden.
Da bei der erfindungsgemäßen Maschine der Glasrohling mit einer hohen thermischen Effizienz erhitzt, zur Formgebung gepreßt und abgekühlt werden kann, kann das hochpräzise, optische Element in einer kurzen Zeitperiode formge preßt werden. Weiterhin ist die Maschine einfach in ihrem Aufbau und kompakt in ihrer Größe. Da darüber hinaus eine hermetische Abdichtung in der Maschine nicht erforderlich ist, ist die Maschine zur Massenproduktion bei geringen Kosten geeignet.
Außerdem kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das optische Element, welches eine hochpräzise Form aufweist, bei geringen Kosten hergestellt werden. Im Ergebnis kann die optische Vorrichung, die das optische Element verwendet, stabil arbeiten und bei geringen Kosten hergestellt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN

Diese Aufgabe bzw. dieser Gegenstand sowie weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher zutage treten. Hierbei ist:
Figur 1 eine geschnittene Vorderansicht einer Maschine zum Formen eines optischen Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine geschnittene Draufsicht auf die in Figur 1 gezeigte Maschine;
Figur 3 eine geschnittene Seitenansicht auf die in Figur 1 gezeigte Maschine;
Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer unteren Heizplatte, die in der in Figur 1 gezeigten Maschine verwendet wird;
Figur 5a eine geschnittene Teilansicht von Heizisolierpatten, die in der in Figur 1 gezeigten Maschine verwendet werden;
Figur 5b ein Graph, der die Wirkungen der in Figur 5a gezeigten Heizisolierplatten wiedergibt;
Figur 6 eine perspektivische Ansicht, die je eine Heizplatte sowie Heizeinrichtungen wiedergibt, die in der in Figur 1 gezeigten Maschine verwendet werden;
Figur 7 eine perspektivische Ansicht von einer der in Figur 5a gezeigten Heizisolierpatten;
Figur 8 eine geschnittene Teilansicht einer oberen Heizplatte, die in der in Figur 1 gezeigten Maschine verwendet wird;
Figur 9a, 9b jeweils Ansichten, die einen Formgebungsblock zeigen, welcher bei einem Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Figur 10 ein Graph, welcher eine Temperaturkurve des in Figur 9a gezeigten Formgebungsblocks wiedergibt; und
Figur 11a, jeweils eine Schnittansicht, die einen Glasrohling zeigt, welche bei 11b, 11c dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Bevor mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung fortgefahren wird, ist zu bemerken, daß gleiche Bauteile durch gleiche Bezugszeichen in den jeweiligen Ansichten der beigefügten Zeichnungsfiguren bezeichnet sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es wird nun auf die Zeichnungsfiguren Bezug genommen. In Figur 1 ist eine Maschine K zum Formen eines optischen Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Maschine K weist eine Kammer 1 auf, in der eine Basis bzw. eine Grundplatte 2 angeordnet ist. Untere Heizplatten 3-9 sind fest an der Basis 2 in der Weise angebracht, daß sie in einer sich in Richtung der X-Achse der Figur 1 erstreckenden Linie angeordnet sind. Jede der unteren Heizplatten 3-9 ist mit einem Paar Heizeinrichtungen 22 versehen, welche als Temperatursteuermittel verwendet werden. Obere Heizplatten 10-16 sind oberhalb der unteren Heizplatte 3-9 so angeordnet, daß sie den unteren Heizplatten 3-9 jeweils gegenüberliegen. Jede der oberen Heizplatten 10-16 ist darüber hinaus mit einem Paar der Heizeinrichtungen 22, die als Temperatursteuermittel dienen, sowie einer Preßstange 21 eines Zylinders versehen, die als ein Drucksteuermittel dient.
Die oberen Heizplatten 10-16 sowie die unteren Heizplatten 3-9 sind mit einem solchen Abstand zueinander beabstandet angeordnet, daß es einem Formgebungs- bzw. Prägeblock ermöglicht wird, zwischen diesen hindurch zu laufen. Der Formgebungsblock wird durch eine obere Preßform- bzw. einen oberen Prägestempel 17, eine untere Preßform bzw. einen unteren Prägestempel 18, eine Hülsenform 19 zum Halten der oberen sowie der unteren Preßform 17, 18 sowie einen Glasrohling 20 gebildet, der zwischen der oberen und der unteren Preßform 17, 18 eingespannt ist.
Eine Heizzone zum Erhitzen des Preßblockes ist durch die unteren Heizplatten 3-5 sowie die oberen Heizplatten 10-12 gebildet. Eine Preßverformungs- bzw. Preßdeformationszone zum Verformen des Glasrohlings 20 wird durch die untere Heizplatte 6 sowie die obere Heizplatte 13 gebildet. Eine Kühlzone zum Abkühlen des Formgebungsblocks wird durch die unteren Heizplatten 7-9 sowie die oberen Heizplatten 14-16 gebildet. Jede der oberen Heiz platten 10-16 ist in der Lage, über einen vorbestimmten vertikalen Hub, d.h. in Richtung der Z-Achse in Figur 1 zu verfahren.
Ein Paar der Heizeinrichtungen 22 ist in jeder Heizplatten 3-16 so eingebettet, daß ein gewünschter Temperaturanstieg der Heizplatten 3-16 möglich ist. Ein Abkühlkreis ist in der Basis 2 mitintegriert und weist einen Kühlwassereinlaß 23 sowie einen Kühlwasserauslaß 24 auf, welche mit einer extern angeordneten Temperatursteuereinrichtung (nicht gezeigt) verbunden sind. Obwohl dies im einzelnen nicht gezeigt ist, ist Kühlwasser in einer äußeren Wand der Kammer 1 vohanden, um einen Temperaturanstieg der äußeren Wand der Kammer 1 zu verhindern, so daß die Sicherheit des Formgebungsvorgangs sichergestellt ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sieben untere Heizplatten 3-9 bzw. sieben obere Heizplatten 10-16 vorgesehen. Der Grund für die sieben unteren Heizplatten (oberen Heizplatten 10-16) wird nachstehend noch näher erläutert. Weiterhin ist eine Thermokupplung bzw. ein Thermoelement 44 (vgl. Fig. 3) in den Heizplatten 3-16 eingebettet, um die Temperatur der Heizplatten 3-16 zu erfassen sowie zu steuern.
Um die Atmosphäre in der Kammer 1 zu steuern, sind jeweils zwei Gaseinlässe 25 zum Einführen von nicht oxidierendem Gas in die Kammer 1 an gegenüberliegenden Enden eines oberen Abschnitts der Kammer 1 vorgesehen. Um den Transport des Formgebungsblocks auf den unteren Heizplatten 3-9 zu ermöglichen, sind die oberen Oberflächen der unteren Heiz platten 3-9 miteinander fluchtend angeordnet. Ein Einlaß 26 sowie ein Auslaß 29, die einen Durchgang des Formgebungsblockes ermöglichen, sind jeweils an gegenüberliegenden Enden der Kammer 1 vorgesehen. Die untere Heizplatte 3 ist über den Einlaß 26 mit der Außenseite der Kammer 1 durch eine Ladeplattform 27 verbunden. Ein Verschluß 28 ist vertikal bewegbar an dem Einlaß 26 angeordnet, um den Einlaß 26 zu öffnen und zu schließen. Auf der anderen Seite ist die untere Heizplatte 9 über den Auslaß 29 mit der Außenseite der Kammer 1 durch eine Austragsplattform 31 verbunden. Ein Verschluß 30 ist vertikal bewegbar an dem Auslaß 29 angeordnet, um diesen zu öffnen und zu schließen. Wenn der Formgebungsblock über eine vorbestimmte Strecke in Richtung der negativen X-Achse in Figur 1 durch eine Schubstange 33 eines Zylinders 32 geschoben wird, wird der Formgebungsblock auf die untere Heizplatte 3 in der Kammer 1 transportiert.
Figur 2 zeigt eine Transporteinrichtung 34 für den Transport des Formgebungsblockes über die unteren Heizplatten 3-9. Die Transporteinrichtung 34 umfaßt Antriebszylinder 35, 36, die an einem hinteren Abschnitt der Kammer 1 vorgesehen sind, sowie eine Schiebeeinrichtung 37, die eine kammartige Form aufweist. Der Formgebungsblock wird durch die Schiebeeinrichtung 37 nach Betätigung der Antriebszylinder 35, 36 über eine Strecke transportiert, die mit einer Teilung P der Heizplatten 3-16 in Richtung der X-Achse übereinstimmt, und über eine vorbestimmte Strecke in Richtung der Y-Achse. Der Antriebszylinder 35 ist an einem Zylindergehäuse H angebracht, wogegen der Antriebszylinder 36 an einer hinteren Seite der Kammer 1 angeordnet ist, um das Zylindergehäuse H in Richtung der X- Achse zu verschieben. Das Zylindergehäuse H ist verschiebbar an der hinteren Seite der Kammer 1 in der Weise montiert, daß es leicht gegenüber der hinteren Fläche der Kammer 1 abgedichtet ist.
Die Figuren 3 und 4 zeigen im Detail Anordnungen der Heizplatten 3-16, welche die wesentlichsten Bauteile der vorliegenden Erfindung bilden. Die Heiz platten 3-16 haben eine identische Rechteckform. Daher werden im Wege eines Beispiels die untere Heizplatte 3 sowie die obere Heizplatte 10 in den Figuren 3 und 4 gezeigt. Wie aus den Figuren 3 und 4 hervorgeht, sind eine Heizisolierpatte 41a und die untere Heizplatte 3 in dieser Reihenfolge auf der Basis 2 fest übereinander angeordnet. Weiterhin sind ein Paar Führungen 39 zum Positionieren des Formgebungsblocks in Richtung der Y-Achse in Figur 3 an der Heizisolierplatte 41a vorgesehen. Durch Verwendung der vorstehend erwähnten Transporteinrichtung 34 wird der Formgebungsblock zwischen den Führungen 39 von einer unteren Heizplatte zu der nächsten Heizplatte verschoben. Wie in Figur 4 gezeigt ist, sind vier Seitenflächen sowie eine untere Fläche der Heizplatte 3 durch Heizisolierplatte 41b-41e und der Heizisolierpiatte 41a umgeben. Die Heizisolierplatten 41a-41e dienen dazu, daß erstens ein Einfluß auf die untere Heuplatte durch geringste Temperaturänderungen des Kühlungskreises, der in der Basis 2 mit vorgesehen ist, beseitigt wird, daß zweitens eine genaue Temperatursteuerung jeder unteren Heizplatte unabhängig von den beiden benachbarten Heizplatten durchgeführt werden kann, und daß drittens Wärmeverluste von der unteren Heizplatte 3 durch Konvektion des nicht oxidierenden Gases in der Kammer 1 verhindert wird, um den Formgebungsblock gleichförmig zu erhitzen. Ein entscheidender Punkt beim Formgeben eines optischen Elements besteht darin, wie gleichmäßig die Hitze während des Erhitzens und Abkühlens des den Glasrohling 20 aufnehmenden Formgebungsblocks ist. Zu diesem Zweck sollte der Temperaturunterschied zwischen den Oberflächen der unteren und der oberen Heizplatten reduziert werden, um die Bildung eines gleichförmigen Heizbereiches zu steigern.
Die Figuren 5a und 5b geben die Eigenschaft der gleichmäßigen Erhitzung wieder, die durch die Heizisolierpatten 41a-41e erreicht wird. Insbesondere zeigt Figur 5b die Temperatur der Oberfläche der unteren Heizplatte 3, wenn die untere Heizplatte 3 durch Entfernen der in Figur 4 gezeigten Heizisolierpatte 41b von der unteren Heizplatte 3, wie es in Figur 5a gezeigt ist, auf 580º C erhitzt wird. Die Temperatur der Oberfläche der unteren Heizplatte 3 wird durch ein Infrarotstrahlungsthermometer gemessen und ist durch die ausgezogene Linie in Figur 5b dargestellt. Im linken Teil der Figur 5b ist die Temperatur der Oberfläche der unteren Heizplatte um ca. 20º C kleiner als die vorbestimmte Temperatur von 580º C, was zu einer ungeeigneten gleichmäßigen Erhitzungseigenschaft führt. Diese ungeeignete gleichförmige Erhitzungseigenschaft beruht im wesentlichen auf dem Hitzeverlust von der Oberfläche der unteren Heizplatte 3. Demgegenüber zeigt die unterbrochene Linie in Figur 5b eine gleichförmige Erhitzungseigenschaft, die durch die Montage der Heizisolierplatte 41 b an der unteren Heizplatte 3 erzielt wird, und ist nur um ca. 40 C kleiner als die vorbestimmte Temperatur 580º C, was zu einer im wesentlichen gleichförmigen Erhitzungseigenschaft führt. Eine derartige gleichförmige Erhitzungseigenschaft sollte in einem großen Bereich der unteren Heizplatte sichergestellt sein, mit dem die untere Form 18 in Kontakt kommt. Untersuchungen der gleichförmigen Erhitzungseigenschaft in dem vorstehend bezeichneten Bereich der unteren Heizplatte 3, die auf einem ähnlichen Meßverfahren basieren, haben gezeigt, daß die gleichförmige Erhitzungseigenschaften ähnlich zu der der unterbrochenen Linie der Figur 5b ist.
Auf der anderen Seite werden die oberen Heizplatten 10-16 in einer im wesentlichen zu der der unteren Heizplatten 3-9 gleichen Weise angeordnet. In Figur 3 ist eine Kühlplatte 46 an einer unteren Fläche eines Flansches 45 der Preßstange 21 durch Schrauben befestigt. Ein Kühlkreisauf (nicht gezeigt) ist in der Kühlplatte 46 vorgesehen und weist Metalrohre 47, 48 auf, welche an der Kühlplatte 46 mit Schrauben befestigt sind. Das Rohr 48 ist mit einer extern angeordneten Temperatursteuereinrichtung (nicht gezeigt) verbunden. Das die Temperatur einstellende Wasser strömt in das Rohr 47, um aus dem Rohr 48 wieder auszutreten. Die Rohre 47, 48 sind vertikal bewegbar angeordnet, um mit der vertikalen Bewegung der Preßstange 21 vertikal verschoben zu werden. Eine Montageplatte 49 ist an einer unteren Fläche der Kühlplatte 46 mittels Schrauben befestigt. Weiterhin ist in der gleichen Weise wie bei der unteren Heizplatte 3 die obere Heizplatte 10 über eine Heizisolierplatte 50a an der Montageplatte 49 mittels Schrauben befestigt. Vier Seitenflächen der oberen Heizplatte 10 sind durch Heizisolierpatten 50b-50e in der Weise umgeben, daß die Wirkungen, die zu den der unteren Heizplatte 3 identisch sind, durch die obere Heizplatte 10 erzielt werden können. Da die Heizplatten 3-16 unabhängig voneinander angeordnet sind, wie dies vorstehend beschrieben worden ist, wird der Austausch der Heiz platten 3-16 während Wartungsarbeiten aufgrund des Überschreitens der Lebensdauer der Heizeinrichtungen 22 usw. erleichtert.
In Figur 3 wird die Montageplatte 49 nicht nur zum Befestigen der oberen Heizplatte 10 und der Heizisolierpatte 50a verwendet, sondern auch zum Verlegen von Leitungsdrähten 43 der Heizeinrichtungen 22 sowie der Thermokupplung 44. Die Leitungsdrähte 43 sowie die Thermokupplung 44, welche von einer Endfläche der oberen Heizplatte 10 abgehen, werden durch eine Hülse 50 hindurchgeführt, welche an der Montage platte 49 mittels einer Schraube 52 befestigt ist. An einem oberen Ende der Hülse 50 werden die Leitungsdrähte 43, die Thermokupplung 44 und die Hülse 50 durch eine Befestigungseinrichtung 51 aneinander befestigt. In der gleichen Weise, wie bei den Rohren 47, 48, ist die Hülse 50 vertikal verschiebbar ausgebildet, um bei einer vertikalen Bewegung der Preßstange 21 vertikal verschoben zu werden.
Wie vorstehend erläutert worden ist, sind die Rohre 47, 48 und die Hülse 50, die die sich dort hindurcherstreckenden Leitungsdrähte 43 und die Thermokupplung 44 aufnimmt, aus dem folgenden Grund verschiebbar ausgebildet. Da nämlich die Leitungsdrähte 43 einer sehr hohen Temperatur in der Nähe der oberen Heizplatte 10, die die darin eingebetteten Heizeinrichtungen 22 aufweist, ausgesetzt sind und eine Biegebelastung infolge der vertikalen Bewegung der Preßstange 21 auf die Leitungsdrähte 43 einwirkt, kann ein Bruch der Leitungsdrähte 43 leicht auftreten, sofern nicht die Rohre 47, 48 und die Hülse 50 gleitbar ausgebildet sind. Die Drähte 43 sind in der bewegbaren Hülse 50 in der Kammer 1 gehalten. Eine Biegung der Drähte 50 infolge der vertikalen Bewegung der Hülse 50 kann außerhalb der Kammer 1 mit einem großen Krümmungsradius bei Raumtemperatur kompensiert werden. Daher tritt ein Bruch der Drähte weniger häufig auf, was zu einer bemerkenswerten Verbesserung der Zuverlässigkeit der Maschine K führt.
Die Figur 6 zeigt die Beziehung zwischen jeder der Heizplatten 3-16 und der Heizeinrichtung 22. Diese Anordnung zielt außerdem auf eine Verbesserung der gleichförmigen Erhitzungseigenschaft der Heizplatten 3-16 ab. Da die Heizplatten 3-16 einen identischen Aufbau aufweisen, wird nur die untere Heizplatte 3 nachstehend erläutert. Die Heizplatte 3 ist aus einem Metall hergestellt, welches ausgezeichnete Hitzewiderstandseigenschaften und Oxidationswiderstandseigenschaften aufweist, z.B. Edelstahl 5U5316 gemäß JIS (Japanese Industrial Standards) entsprechend zu ASTM A270-73. Zwei Durchgangslöcher 53 sind in der Heizplatte 3 ausgebildet. Eine zylindrische, kartuschenartige Heizeinrichtung 22 ist in jeweils eines der Durchgangslöcher 53 über Schleifkörner 54 eingesetzt. Um die Schleifkörner 54 bei diesem Ausführungsbeispiel zu erhalten, wird ein Pulver, bei dem Zirkoniumoxid mit Aluminiumoxid, Siliciumcarbid usw., welche eine einheitliche Korngröße aufweisen, die für einen Lappvorgang geeignet ist, gemischt werden, in Wasser aufgelöst und anschließend in eine Lücke zwischen dem Durchgangsloch 53 und der Heizeinrichtung 22 eingefüllt, um zu trocknen. Die Schleifkörner 54 werden in die Lücke zwischen dem Durchgangsloch 53 und der Heizeinrichtung 22 eingefüllt, um die folgenden Wirkungen 1.) bis 3.) zu erzielen:
1. Die Lücke zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Heizeinrichtung 22 und einer äußeren Umfangsfläche des Durchgangslochs 53 wird in der Weise einheitlich ausgeführt, daß die Wärmeleitung von der Heizeinrichtung 22 gleichmäßig ist.
2. Eine Belegung (seizure) zwischen der Heizeinrichtung 22 und der Heizplatte 3 wird verhindert und der Austausch der Heizeinrichtung 22 bei einem Bruch des Leitungsdrahts 43 erleichtert.
3. Fehler im Außendurchmesser der Heizeinrichtung 22 und Bearbeitungsfehler des Durchgangslochs 43 werden absorbiert.
Durch die Wirkungen 1.) bis 3.) kann eine gleichftrmige Erhitzungseigenschaft und leichte Wartung der Heizplatten 3-16 sichergestellt werden. Die gleichförmige Erhitzungseigenschaft der Heiz platten 3-16 wird durch eine Abweichung der Heizeinrichtung 22 aus einer Mittenposition in dem Durchgangsloch 53 auf einen Grad verringert, der im wesentlichen identisch mit dem Fall der Abwesenheit der Heizisolierplatten ist. Um Bearbeitungsfehler an den Durchgangslöchern 53 zu absorbieren, kann die Korngröße der Schleifkörner 54 in Übereinstimmung mit der Lücke zwischen der Heizeinrichtung 22 und dem Durchgangsloch 53 gewählt werden.
Bei einer bekannten Anordnung, bei der keramische Kleber in die Lücke zwischen der Heizeinrichtung und der Heizplatte eingefüllt werden, können die vorstehend erläuterten Wirkungen 1.) und 3.) erzielt werden, jedoch die Wirkung 2.) kann nicht überall erreicht werden. Daher stellt die vorstehend erläuterte Anordnung der vorliegenden Erfindung nicht nur die gleichförmige Erhitzungseigenschaft sicher, sondern erleichtert auch die Wartung. Wenn demzufolge die Anordnungen der Figuren 5 und 6 miteinander kombiniert werden, zeigen die oberen und unteren Heizplatten 3-16 höchst ausgezeichnete gleichförmige Erhitzungseigenschaften.
Die Figur 7 zeigt die Heizisolierpatte 41a, die unter der unteren Heizplatte 3 verwendet wird. Die Heizisolierpatte 41a ist mit zwei Schraubenlöchern 55 zur Montage der Heizisolierpatte 41a an der Basis 2 sowie drei Montagelöchern 56 zum Montieren der Heizisolierplatte 41a an der Heizplatte 3 versehen. Die charakteristischen, für die Heizisolierplatte 41a erforderlichen Eigenschaften sind lange Lebensdauer unter Einschluß von Hitzeisolation, Hitzewiderstand, Widerstand gegen Wärmestoß und Druckwiderstand sowie exzellente Bearbeitungseigenschaften. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Heizisolierpatte 41a durch eine zu Glas gewordene bzw. vitrifizierte Schleifscheibe bzw. Rad gebildet, welche bzw. welches hauptsächlich aus Aluminiumoxid und Siliciumoxid aus den folgenden Gründen besteht. Kommerziell verfügbares, keramisches Hitzeisoliermaterial erfüllt anfangs die vorstehend erwähnten charakteristischen Eigenschaften. Jedoch wird bei der Maschine K die Heizisolierpatte 41a einem häufigen Anstieg sowie Fall der Temperatur ausgesetzt und wird wiederholt gepreßt. Weiterhin wird ein thermischer Schlag bzw. Wärrnestoß der Hitzeisolierpatte 41 in Richtung der Dicke der Heizisolierpatte 41 infolge des Temperaturunterschieds von ca. 600º C auferlegt. Wenn daher die Heizisolierpatte 41a aus einem keramischen Isoliermaterial hergestellt wird, wird die Lebensdauer der Heizisolierplatte 41a extrem kurz. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Heizisolierpatte 41a durch eine Scheifscheibe gebildet, welche aus 78 % eines Aluminiumoxids, 20 % eines Siliciumcarbids, 1,5 % eines Kaliumoxids, 1 % eines Natriumoxids und 0 bis 0,5 % eines Calziumoxids gefertigt ist und welche eine Porosität von 39,5 % sowie eine Hitzewiderstandstemperatur von 1.300º C aufweist.
Um einen Vergleich durchführen zu können, wurde die Heizisolierpatte 41a, die aus der vorstehend erwähnten Schleifscheibe hergestellt worden ist, sowie eine bekannte Heizisolierpatte, welche aus einem kommerziell verfügbaren keramischen Isoliermaterial gefertigt worden ist, an der Maschine K montiert. Eine Beurteilung ihrer Lebensdauer hat gezeigt, daß sich nach einem Betrieb der Maschine K für einen Monat die Lebensdauer der Heizisolierpatte 41a deutlich von der Lebensdauer der bekannten Heizisolierpatte unterschied. Kleinste Brüche entstanden in der bekannten Heizisolierpatte, so daß die bekannte Heizisolierpatte ihre ursprüngliche Form nicht mehr aufrechterhalten konnte. Auf der anderen Seite wurden im wesentlichen keine Brüche in der Heizisolierpatte 41a sogar nach einem Betrieb der Maschine K für ein Jahr vorgefunden. Die meisten der Heizisoliermaterialien beinhalten im allgemeinen Gas (in vielen Fällen Luft) in fester Form und basieren auf dem Prinzip, daß der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit des Gases geringer als der des Festkörpers ist. Da die Scheibe, welche die zur Hitzeisolation geeigneten Bestandteile sowie die große Porosität aufweist, ein ausgezeichnetes Hitzeisoliermaterial und thermisch stabil ist, ist die Hitzeisolierpatte 41a hinsichtlich ihrer Lebensdauer ausgezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Hitzeisolierpatte 41a im wesentlichen aus Aluminiumoxid hergestellt. Sogar wenn die Hitzeisolierpatte 41a hauptsächlich aus einem Siliciumcarbid hergestellt ist, zeigt die Hitzeisolierpatte 41a die gleichen Wirkungen, wie eine Hitzeisolierpatte 41a, die hauptsächlich aus Aluminiumoxid gefertigt ist. Weiterhin wird die Scheibe, welche üblicherweise als ein Schleifwerkzeug eingesetzt wurde, als ein Hochtemperatur-Hitzeisoliermaterial verwendet, so daß sich das Anwendungsfeld der Scheibe erweitert hat.
Figur 8 zeigt eine der oberen Heizplatten 10-16, beispielsweise die obere Heizplatte 10. Ein Freigabestift bzw. Zapfen 57 zum Freigeben der Heizplatte 10 von der oberen Form 17 ist in einer mittigen Position der Heizplatte 1 0 eingebettet. Da eine untere Fläche der Heizplatte 1 0 und eine obere Fläche der oberen Form 17 präzise in der Weise bearbeitet sind, daß sie miteinander in Kontakt gebracht werden können, wird die obere Form 17 durch einen Unterdruck oder durch einen dichten Kontakt mit der Heizplatte 1 0 nach oben angehoben, insbesondere zum Zeitpunkt der Beendigung der Formgebung des Glasrohlings 20, wobei eine Formgebung des Glasrohlings 20 nicht sauber ausgeführt werden kann, solange der Freigabestift 27 vorgesehen ist. Der Freigabestift 57 wird durch eine Druckfeder 58 in der Weise belastet, daß er nach außen über die untere Fläche der Heizplatte 10 um ca. 1 mm hervorsteht. Das Ansaugen und der dichte Kontakt der oberen Form 17 mit der Heizplatte 10 wird durch die Druckfeder 58 zwangsläufig beseitigt. Eine Kraft der Druckfeder 58 wird auf einen solchen Wert gesetzt, daß er nicht die Eigenschaft der geformten Linse herabsetzt, beispielsweise auf ca. 200 g-f. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Kraft der Druckfeder 58 zur Freigabe der Heizplatte 10 von der oberen Form 10 verwendet. Jedoch kann diese Anordnung durch eine Methode ersetzt werden, bei dem Nuten an der unteren Fläche der Heizplatte 10 so ausgebildet sind, daß sie einen Kontaktbereich zwischen der unteren Fläche der Heizplatte 10 und der oberen Fläche der oberen Form 10 verringern, oder eine Methode, bei dem ein Gasdruck zur Freigabe der Heizplatte 10 von der oberen Form 17 verwendet wird.
Ein Verfahren zum Erzeugen eines optischen Elementes, wie einer Linse, unter Verwendung der Maschine K als einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 2 sowie 9 bis 11 und der Tabelle 1 beschrieben. Der Formgebungsblock wird durch Einsetzen des Glasrohlings 20 in die obere Form 17, die untere Form 18 und die Hülsenforrn 19 zusammengestellt und auf der Ladeplattform 27 plaziert. In Figur 2 wird der in der Position A an der Austragsplattform 31 angeordnete Forrngebungsblock in die Position B in Richtung des Pfeiles mittels eines Kolbens 38 eines Zylinders verschoben. Anschließend kehrt der Kolben 38 zu seiner Ausgangsposition zurück. Danach wird durch Antrieb des Antriebszylinders 35 über eine vorbestimmte Strecke in Richtung der negativen Y-Achse gleichzeitig mit Öffnen des Verschlusses 30 die Schiebeeinrichtung 37 in Richtung der negativen Y-Achse bewegt, so daß jeder der Zähne der Schiebeeinrichtung 37 zwischen einem Paar von benachbarten Formgebungsblöcken, die auf den Heizplatten 3-9 angeordnet sind, eingeführt wird. Anschließend wird der Antriebszylinder 36 in Richtung der negativen X-Achse angetrieben, so daß jeder der Formgebungsblöcke auf einer Heizplatte 3-9 zu der nächsten Heizplatte 3-9 bewegt wird. Beispielsweise gelangt der sich auf der Heizplatte 9 zum Abkühlen befindliche Formgebungsblock durch den Auslaß 29 hindurch, um auf die Austragsplattform 31 transportiert zu werden. Daraufhin kehrt die Schiebeeinrichtung 37 in ihrer Ausgangsposition in der Reihenfolge einer Bewegung in Richtung der positiven Y-Achse und der positiven X-Achse zurück. Gleichzeitig wird der Verschluß 30 geschlossen.
Nachfolgend wird der Verschluß 28 des Einlasses 26 geöffnet und der Formgebungsblock auf der Ladeplattform 27 in Richtung der negativen X-Achse durch die Schubstange 33 des Zylinders 32 verschoben, so daß er auf die Heizplatte 3 in der Kammer 1 transportiert wird. Gleichzeitig mit der Rückkehr der Schubstange 33 zu ihrer Ausgangsposition wird der Verschluß 28 geschlossen. Diese Betriebsabufe werden aufeinanderfolgend in einem vorbestimmten Zeitintervall in der Weise wiederholt, daß die Formgebung der Linsen kontinuierlich ausgeführt wird.
Während der Öffnung der Verschlüsse 28, 30 wird nicht oxidierendes Gas (z.B. N&sub2;- Gas), welches einen vorbestimmten Druck aufweist, der Kammer 1 von den Gaseinlässen 25 aus zugeführt, um den Innendruck der Kammer 1 zu erhöhen. Während des Öffnens des Einlasses 26 und des Auslasses 29 oder durch Lücken an dem Zylinder fließt Gas aus der Kammer 1 hinaus, jedoch beeinflußt dies nicht die Formgebung der Linse. Dies deshalb, da zum Zeitpunkt des Beschickens und Austragens des Formgebungsblocks einer der Verschlüsse 28, 30, die an den gegenüberliegenden Enden der Kammer 1 vorgesehen sind, aus dem folgenden Grund geschlossen ist. Wenn beide Verschlüsse 28, 30 gleichzeitig geöffnet werden, wird das Gleichgewicht des lnnendrucks der Kammer 1 gestört, so daß Luft von außen in die Kammmer 1 fließen kann und eine Durchführung eines Formgebungsvorgangs der Linse in einer stabilen Atmosphäre nicht möglich ist. Im Falle, daß beide Verschlüsse 28, 30 gleichzeitig geöffnet werden, nimmt die Konzentration des Sauerstoffs ein Maximum von 0,1 % oder mehr an und ändert sich im großen Umfang synchron mit dem Öffnen und Schließen der Verschlüsse 28, 30. Wenn auf der anderen Seite einer der beiden Verschlüsse 28, 30 geschlossen ist, nimmt die Konzentration des Sauerstoffs üblicherweise 0,04 % oder weniger stabil an.
Zu dem Zeitpunkt, wenn der in die Kammer 1 transportierte Formgebungsblock auf der Heizplatte 3 angeordnet wird, wird die Heizplatte 10 abgesenkt, um in Kontakt mit der oberen Form 17 des Formgebungsblockes in der Weise zu gelangen, daß der Formgebungsblock von oben und unten wirksam beheizt wird. In der Heizzone sind mehrere der unteren Heizplatte 3-5, d.h. mehrere der oberen Heizplatte 10-12 für die folgenden Zwecke 1.) bis 3.) vorgesehen:
1. Bevor das Glas des Glasrohlings 20 eine Verformungstemperatur erreicht, werden die oberen und unteren Formen 17, 18, die Hülsenform 19 und der Glasrohling 20, die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, gleichförmig von oben und unten ohne eine vertikale Temperaturdifferenz erhitzt.
2. Die Temperatur der oberen und der unteren Heizplatte, die durch den Formgebungsblock abgesenkt worden ist, kehrt zu der Heiztemperatur in einer vorbestimmten Zeitperiode zurück.
3. Das äußere Erscheinungsbild der geformten Linse wird durch Substanzen bestimmt, die von dem Glas des Glasrohlings 20 absplittern. Um ein Absplittern der Substanzen von dem Glasrohling 20 zu verhindern, werden Bedingungen für eine minimale Verformungstemperatur des Glases erzielt. Zu diesem Zweck werden die Hitzekapazität und die elektrische Energie der oberen und der unteren Heizplatte sowie der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit, die Hitzekapazität usw. des Formgebungsblockes berechnet, ohne daß dies ausdrücklich festgestellt werden muß.
Wenn in Figur 2 die Schiebeeinrichtung 37 in Richtung der negativen Y-Achse und anschließend in Richtung der negativen X-Achse über eine vorbestimmte Teilung verschoben wird, wird der auf der unteren Heizplatte angeordnete Formgebungsblock entlang der Führungen 39 über eine vorbestimmte Teilung bzw. Strecke in Richtung der negativen X-Achse so verschoben, daß er auf der nächsten unteren Heizplatte angeordnet wird. Anschließend wird die Schiebeeinrichtung 37 in Richtung der positiven Y-Achse zurückgezogen und kehrt anschließend in Richtung der positiven X-Achse über eine vorbestimmte Teilung bzw. Strecke zurück, wodurch der Transport des Formgebungsblockes vervollständigt wird. In der Heizzone wird der Formgebungsblock in einem Wartezustand auf den unteren Heizplatten 3-5 für eine vorbestimmte Zeitperiode angeordnet, um von oben und unten durch die oberen und die unteren Heizplatten 10-12, 3-5 während einer vorbestimmten Wartezeit erhitzt zu werden. In der Heizzone wird der Formgebungsblock aufeinanderfolgend in einem vorbestimmten Zeitintervall transportiert, so daß er erhitzt wird. Wenn auf diese Weise der Formgebungsblock eine solche Temperatur erreicht hat, daß eine Verformung möglich wird, ist das Erhitzen des Formgebungsblockes beendet.
Anschließend wird der Formgebungsblock auf die Heizplatte 6 der Preßverformungszone durch das Transportmittel 34, welches vorstehend erläutert worden ist, transportiert. In der Preßverformungszone werden die untere Heizzone 6 und die obere Heizzone 13 ebenfalls auf eine solche Temperatur gebracht, daß sie eine Verformung ermöglichen. Nach dem Transport des Formgebungsblocks auf die untere Heizplatte 6 wird die obere Heizplatte 13 in Richtung der negativen Z-Achse durch die Preßstange 21 in der Weise gedrückt, daß sie in Kontakt mit der Hülsenform 19 gelangt, so daß der Glasrohling 20 verformt wird. Nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitperiode, in der eine Verformung des Glasrohlings 20 vollständig abgeschlossen worden ist, wird die Preßstange 21 in Richtung der positiven Z- Achse angehoben.
Danach wird der Formgebungsblock auf die untere Heizzone 7 der Kühl- bzw. Abkühizone transportiert. Daraufhin wird die obere Heizzone 19 in Kontakt mit der Heizzone in der Weise gebracht, daß der Formgebungsblock gleichförmig von oben nach unten abgekühlt bzw. gekühlt wird. Anschließend wird der Formgebungsblock auf die untere Heizplatte 8 transportiert, um weiter abzukühlen. Die geometrische Genauigkeit der geformten Linse wird insbesondere davon bestimmt, wie zufriedenstellend der Glasrohling 20 in der Nähe eines Umwandlungspunktes des Glases in den beiden vorstehend erwähnten Abkühlschritten auf den unteren Heizplatten 7, 8 gekühlt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden bei dem zweiten Abkühlschritt die Heizplatten 8, 15 auf eine Temperatur gesetzt, die geringer als der Umwandlungspunkt des Glases ist. Die Abkühlgeschwindigkeit des Formgebungsblocks ist unmittelbar nach dem Transport des Formgebungsblocks auf die untere Heizplatte 8 hoch, nimmt jedoch allmählich im weiteren Zeitablauf ab. Auf diese Weise passiert die Temperatur des Formgebungsblocks den Umwandlungspunkt des Glases in einer vorbestimmten Zeitperiode. Der Formgebungsblock wird weiter abgekühlt, um eine Temperatur zu erreichen, die identisch mit der der oberen und der unteren Heizplatte 15, 8 ist. Weiterhin wird der Formgebungsblock schnell durch die Heizplatten 9, 16 auf eine solche Temperatur abgekühlt, daß ein Austragen möglich wird. Nach den drei Abkühlschritten an den unteren Heizplatten 7-9 wird der Formgebungsblock auf die Austragsplattform 31 ausgetragen. Wie vorstehend dargelegt worden ist, wird der Formgebungsblock aufeinanderfolgend durch insgesamt 7 Schritte des Erhitzens, des Preßverformens und des Abkühlens in einem vorbestimmten Zeitintervall geführt, wodurch die Formgebung der Linse vervollständigt wird.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Paar Heizplatten, die obere und die untere Heizplatte, auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht. Die Produktionsrate wird so festgelegt, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Formgebungsblock und den oberen sowie unteren Heizplatten in einer vorbestimmten Zeitperiode 0 wird. Das Festlegen der Produktionsrate sowie einer Reihe von Betriebsabläufen, wie beispielsweise die Preßzeit, die Verschlußzeit, die Transportgeschwindigkeit usw. kann durch ein bekanntes Sequenzprogramm ausgeführt werden.
Wenn die Gesamtzahl der Kühl- bzw. Erhitzungs-, Preßverformungs- und Abkühlschritte gesteigert wird, kann die Produktionsrate in der Formgebungsmaschine und das Produktionsverfahren der vorliegenden Erfindung gesteigert werden. Jedoch tritt in diesem Fall das Problem auf, daß die Zahl der Heizplatten zunimmt. Daher wird bei der Formgebungsmaschine und dem Produktionsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine optimale Zahl an Kühl- bzw. Erhitzungs-, Preßverformungs- und Abkühlschritte unter Berücksichtigung der gewünschten Größe der geformten Linse, der erforderlichen Genauigkeit für die Linse, der Zahl der herzustellenden Linse, den thermischen Eigenschaften des Glasmaterials der Linsen usw. bestimmt.
Die Figuren 9a und 9b zeigen den Formgebungsblock, bei dem eine Formgebung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. Der Formgebungsblock setzt sich aus der zylindrischen oberen und unteren Form 17, 18, der Hülsenform 19, die die obere und untere Form 17, 18 aufnimmt, und einer geformten Linse 59 zusammen. Jede Form der oberen und unteren Form 17, 18 weist eine optisch funktionale Fläche D auf, die auf der dem Glasrohling 20 gegenüberliegenden Seite der Form gebildet ist. Die Hülsenform 19 weist einen Außendurchmesser von 28 mm auf, während die obere und die untere Form 17, 18, welche in der Hülsenform aufgenommen sind, einen Durchmesser von 20 mm aufweisen. Der Formgebungsblock weist eine Höhe von 20 mm auf. Die Hülsenform 19 dient nicht nur dazu, eine optische Achse der optisch funktionalen Fläche D der oberen Form 17 in Flucht mit der der unteren Form 18 zu bringen, sondern bestimmt auch die Mittendicke der geformten Linse 59. Um die geometrische Genauigkeit der geformten Linse 59 zu stabilisieren, ist es wünschenswert, daß der Glasrohling 20 innerhalb der optisch funktionalen Fläche D der oberen und der unteren Form 17, 18 auf der Basis geformt wird, daß eine Hitzeisolierschicht 60 an einer äußeren Umfangsfläche der geformten Linse 59 während des Abkühlens gebildet wird. Unabhängig davon, ob die geformte Linse 59 eine sphärische Linse oder eine asphärische Linse ist, wird daher die äußere Umfangsfläche der geformten Linse 59 entfernt bzw. abgeschält, um einen Kernabschnitt der geformten Linse 59 zu erhalten, so daß die geformte Linse 59 einen vorbestimmten äußeren Durchmesser aufweist.
Wenn, wie es in Figur 9b gezeigt, die Hülsenform 19 durch eine zweite Hülsenform 61 umschlossen wird, die aus einem Material hergestellt ist, welches einen kleinen thermischen Leitkoeffizienten aufweist, wird die geometrische Genauigkeit der geformten Linsen 59 weiter stabilisiert. Die zweite Hülsenform 61 wird deshalb vorgesehen, um ein schnelleres Abkühlen der Hülsenform 19 als das Abkühlen der äußeren Umfangsoberfläche des Formgebungsblockes zu verhindern, und kann aus einem Material hergestellt sein, welches eine ausgezeichnete Wärmespeichereigenschaft besitzt.
Figur 10 zeigt die Temperaturkurve des bei diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Formgebungsblocks. In der Heizzone werden die unteren Heizplatten 3-5, die oberen Heizzonen bzw. die oberen Heizplatten 10-12 auf eine Heiztemperatur von 450º C, 550º C bzw. 570º C gebracht. In der Preßverformungszone wird jede der oberen und unteren Heizplatten 13, 6 auf eine Verformungstemperatur von 580º C gebracht. In der Kühlzone werden die unteren Heizplatten 7-9, d.h. die oberen Heizplatten 14-16 auf eine Kühltemperatur von 540º C, 480º C bzw. 60º C gesetzt. In der Figur 10 befindet sich der Formgebungsblock auf jeder der Heizplatten, der oberen und der unteren Heizplatten, für 53 Sekunden. Der Formgebungsblock wird aufeinanderfolgend in den Schritten 1 bis 3 erhitzt. Der Glasrohling 20 wird einer Preßverformung im Schritt 4 ausgesetzt. Wie aus dem Abschnitt C in Figur 10 erkennbar ist, dauert der Formgebungsvorgang ca. 10 bis 20 Sekunden innerhalb von 53 Sekunden und die verbleibende 53 bzw. 33 Sekunden werden zum Ausführen eines gleichförmigen Erhitzens des Formgebungsblocks in seiner Gesamtheit verwendet. Anschließend wird der Formgebungsblock in den Schritten 5 bis 7 abgekühlt. In jedem der Schritte 5 bis 7 ist die Abkühlgeschwindigkeit zu Beginn gering, nimmt jedoch danach eine funktionale Abkühlkurve an. Die Temperatur des verformten Glasrohlings 20 durchläuft den Umwandlungspunkt des Glases im Schritt 6. Anschließend härtet der Glasrohling 20 in der Weise aus, daß die geformte Linse 59 erhalten wird. Im Schritt 7 wird der Formgebungsblock schnell abgekühlt und der Formgebungsblock auseinandergenommen. Auf diese Weise wird eine Reihe von geformten Linsen 59, die gewünschte Eigenschaften aufweisen, erzielt. Die erhaltene, geformte Linse 59 ist eine Bikonvexlmse, welche einen Außendurchmesser von 18 mm sowie eine Mittendicke von 2,9 mm aufweist. Die gegenüberliegenden, konvexen Flächen der geformten Linse 59 sind asphärisch. Die geformte Linse 59 weist eine bemerkenswert hohe geometrische Genauigkeit von + 1,0 µm oder weniger gegenüber einem gewünschten Entwurfswert auf. Weiterhin kann die gewünschte Temperaturkurve des Formblockes durch willkürliche Kombination der Produktionsrate, der Temperatur jeder der Heizeinrichtungen, der Preßverformung sowie der Kühlzonen und der Zahl der Schritte in jedem der Heiz-, Preßverformungs- und Kühlzonen in Übereinstimmung mit der Hitzekapazität der oberen und der unteren Formen 17, 18 sowie der Hülsenform 19 und der thermischen Eigenschaften des Glasrohlings erhalten werden. Wenn beispielsweise in dem Fall, wo ein Formgebungsblock, der eine Hitzekapazität aufweist, die geringer als die des vorstehend erwähnten Formgebungsblockes ist, verwendet wird, kann der Formgebungsblock in den Schritten 1 und 2 erhitzt, im Schritt 3 verformt und in den Schritten 4 bis 7 abgekühlt werden.
Weiterhin werden in diesem Ausführungsbeispiel jedes Paar der oberen und unteren Heiz platten auf eine identische Temperatur aus dem folgenden Grund gebracht. In dem Falle nämlich, daß der Formgebungsblock von oben und unten mit einer identischen Abkühlgeschwindigkeit in der Kühlzone abgekühlt wird, kann ein Formgebungsvorgang, der frei von Verwerfungen ist, üblicherweise ausgeführt werden, wenn die gegenüberliegenden Flächen der Linsen eine identische Form aufweisen. Wenn jedoch die gegenüberliegenden Flächen der Linse eine deutlich unterschiedliche Form aufweisen, beispielsweise im Falle einer Meniskuslinse, einer plankonvexen Linse usw. ist eine Verwerfung der Linse deutlich sichtbar, sogar wenn die Linse von oben und unten mit einer identischen Abkühlgeschwindigkeit gekühlt wird. Wenn die Linse in einem solchen Fall einer Verwerfung in einer Richtung ausgesetzt ist, werden die Temperaturbedingungen in der Weise festgesetzt, daß eine Fläche der Linse, die der Richtung der Verwerfung gegebenüberliegt, langsam abgekühlt werden sollte. Durch Vorsehen des Zeitunterschieds beim Abkühlen zwischen dem oberen und dem unteren Abschnitt der Linse während des Aushärtens der Linse kann nämlich die Linse durch Steuerung der Verwerfung geformt werden. Der Zeitunterschied beim Abkühlen zwischen dem oberen und dem unteren Abschnitt der Linse kann mit einer Methode erzielt werden, bei der erstens jedes Paar der Heizplatten, der oberen und der unteren Heizplatte, die auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden, jeweils in Kontakt mit dem Formgebungsblock in der Weise gebracht wird, daß der Formgebungsblock durch Wärmeleitung abgekühlt wird, und bei der zweitens eine Lücke zwischen dem Formgebungsblock und der oberen Heizplatte vorgesehen ist, so daß eine Fläche des Formgebungsblocks, die der Lücke gegenüberliegt, radial abgekühlt wird. Bei der zuerst genannten Methode ist die Wärmeleitung zwischen dem Formgebungsblock und jeder Heizplatte geneigt, um geringfügig Ungleichmäßigkeiten infolge von Verschmutzung, einem Oxid film auf den Konktaktflächen des Formgebungsblockes und jeder Heizplatte zu werden.
Auf diese Weise wird bei dem Ausführungsbeispiel im Schritt 6, bei dem die Temperatur des Formgebungsblockes den Umwandlungspunkt des Glases durchläuft, welcher besonders wichtig für das Abkühlen ist, eine Lücke von 1 mm zwischen dem Formgebungsblock und der oberen Heizplatte 15 gebildet. Die Formgebung wird durch Verwendung des Formgebungsblocks der Figur 9 und einer Temperaturkurve der Figur 10 ausgeführt. Im Ergebnis wird eine obere Verwerfung von 3 µm in der geformten Linse 59 gebildet. Durch Minimierung der Verwerfung der geformten Linse 59 wird es möglich, eine hochpräzise, geformte Linse 59 zu erhalten, welche einen geometrischen Fehler von 1 µm oder weniger aufweist.
Die Figuren 11a bis 11c zeigen Glasrohlinge 20, die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet werden. Der Glasrohling 20 ist aus einem Bariumborsilikat hergestellt. Der Glasrohling 20 der Figur 11a ist eine sphärische Linse, die durch einfaches Polieren erhalten wird. Der Glasrohling 20 der Figur 11b wird durch direktes Aufnehmen von geschmolzenem Glas auf einer Form und Kühlen des geschmolzenen Glas bis zu einem Aushärten erhalten. Die vorstehend erwähnte asphärische Linse wird durch Waschen und Formgeben des Glasrohlings 20 der Figuren 11a oder 11b erzielt. In diesem Fall zeigt jedoch das einfache Formgeben die folgenden Probleme:
1. Eine Substanz, die einen geringen Dampfdruck aufweist (in diesem Ausführungsbeispiel Bor) splittert von dem Glasrohling 20 ab, um an der Form und der Linse anzuhaften.
2. Aufgrund des Unterschieds hinsichtlich des thermischen Leitfähigkeitskoeffizients zwischen der aus Metall für die allgemeine Verwendung hergestellten Form und dem Glasrohling 20, der aus einem anorganischen Material besteht, wird die Oberfläche des Glasrohlings 20 schnell erhitzt, so daß daher geringfügiges Schäumen auftritt.
Infolge der vorstehend beschriebenen beiden Probleme wird die Übertragung verringert und die Qualität der geformten Linse 59 herabgesetzt, so daß die geformte Linse 59 als trübe angesehen wird.
Der Glasrohling der Figur 11c besteht aus einer übermäßigen Schicht 62 (nachfolgend als eine "reiche Schicht" bezeichnet), die auf seiner Oberfläche gebildet ist, sowie einer Masseschicht 63. Die reiche Schicht 62 weist eine Zusammensetzung mit einem hohen Schmelzpunkt auf, während die Masseschicht 63 im wesentlichen eine Zusammensetzung aus Glas ist. Der Glasrohling 20 der Figur 11c wird durch chemische Bearbeitung der sphärischen Linse der Figur 11a erhalten. Diese chemische Bearbeitung wird durch Waschen der sphärischen Linse der Figur 11a mit Ultraschallwellen unter Verwendung kommerziell verfügbarer Reinigungsmittel durchgeführt, die hauptsächlich Amoniumcitrat enthalten und einen pH-Wert von 7 aufweisen.
Die nachstehend Tabelle 1 zeigt die chemische Bearbeitungszeit, die Dicke der reichen Schicht 62, das äußere Erscheinungsbild der geformten Linse und die Formgebungseigenschaften in dem Glasrohling 20 der Figur 11c. Die Dicke der reichen Schicht 62 wird durch qualitative Untersuchungen der Bestandteile des Glases in Richtung der Tiefe unter Verwendung einer Auger-Elektronenspektralanaylseeinrichtung erhalten. Die reiche Schicht 62 weist einen hohen Schmelzpunkt auf und ist aus Silizium und Sauerstoff hergestellt, die frei nicht nur von Borsäure, sondern auch Barium sind. Bei dem Beispiel a) der Tabelle wird nur einfaches Präzsisionswaschen durchgeführt und die reiche Schicht 62 weist eine Dicke 100 Å oder weniger auf. Bei der geformten Linse des Beispiels a) wird ein geringfügiges Schäumen und Ablagern beobachtet. Bei der geformten Linse des Beispiels e) können ausreichende Verarbeitungseigenschaften nicht erhalten werden. Tabelle 1
In der vorstehenden Tabelle 1 kennzeichnet der Buchstabe "I" die Eigenschaft "gut", die Buchstaben "III" die Eigenschaft "schlecht" und die Buchstaben "II" die Eigenschaft "geringfügig schlecht". Es kann Tabelle 1 entnommen werden, daß, wenn die reiche Schicht 62 auf eine Dicke von 100 bis 500 Å geformt wird, das äußere Erscheinungsbild und die Formgebungseigenschaft der geformten Linse deutlich verbessert werden kann. Die reiche Schicht (siliziumreiche Schicht) 62, welche einen hohen Schmelzpunkt aufweist, zeigt einen Effekt des Unterdrückens des Erzeugens von geringfügigen Schäumungen, sogar wenn eine große Temperaturdifferenz an der Kontaktoberfäche zwischen der Form und dem Glasrohling vorhanden ist. Da weiterhin verdampfte Bestandteile in der weichen Schicht abgesplittert werden, weist die reiche Schicht einen Effekt des Verzögerns von Absplitterungen der verdampften Bestandteile an der Oberfläche der geformten Linse. Diese Wirkung kann aus der Tatsache abgeleitet werden, daß die Auger- Elektronenspektralanalyseeinrichtung zeigt, daß die Oberfläche der geformten Linse solche Elemente wie Borsäure, Barium usw. beinhaltet. Um das äußere Erscheinungsbild der geformten Linse zu verbessern, ist das chemische Bearbeiten (Waschen) für die Formgebung sehr wirksam, um die Erzeugung eines Schaums zu unterdrücken, sogar wenn scharfe Temperaturunterschiede zwischen der Form und dem Glasrohling auftritt.
Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig im Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben worden ist, ist zu bemerken, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen für den Durchschnittsfachman erkennbar sind. Sofern daher derartige Änderungen und Modifikationen nicht vom Geist der Ansprüche abweichen, werden sie als innerhalb der Erfindung liegend betrachtet.

Claims

1. Maschine (K) zum Formen eines optischen Elements unter Verwendung eines Prägeblocks, bei dem obere und untere Prägestempel (17, 18), eine Hülsenform (19) zum Tragen der Prägestempel (17, 18) und ein Glasrohling (20) zu einem Teil miteinander kombiniert sind, aufweisend:

eine Kammer (1), die eine Heizzone (3-5, 10-12) zum Beheizen des Prägeblocks von oben und unten, eine Deformationszone (6, 13) zum Pressen der Prägestempel (17, 18) des Prägeblocks und eine Kühizone (7-9, 14-16) zum Kühlen des Prägeblocks aufnimmt und mit einem Einlaß (26) zum Laden des Prägeblocks in die Kammer (1) und mit einem Auslaß (29) zum Ausbringen des Prägebiocks aus der Kammer (1) versehen ist;

wobei die Heizzone mehrere Sektionen (3-5, 10-12) umfaßt und die Kühlzone mehrere Sektionen (7-9, 14-16) auf eine Weise umfaßt, daß die Sektionen (3- 5, 10-12) der Heizzonen, die Deformationszone und die Sektionen (7-9, 14- 16) der Kühizone unabhängig voneinander zu steuern bzw. zu regeln sind;

eine Transporteinrichtung (34) zum sequentiellen Transportieren des Prägeblocks durch die Heizzone (3-5, 10-12), die Deformationszone (6, 13) und die Kühlzone (7-9, 14-16); einen ersten und einen zweiten Verschluß (28, 30) zum Öffnen und Schließen des Einlasses (26) bzw. des Auslasses (29); und

eine Gaszuführungseinrichtung (25) zum Einführen von nicht oxidierendem Gas in die Kammer (1).

2. Maschine (K) nach Anspruch 1, wobei die Sektionen (3-5, 10-12) der Heizzone, die Deformationszone (6, 13) und die Sektionen (7-9, 14-16) der Kühlzone jeweils aus oberen und unteren Heizplatten (3-9, 10-16) aufgebaut sind, zwischen die die Prägestempel (17, 18) gesetzt sind, und die oberen und unteren Heizplatten (3-9, 10-16) jeweils mit einer Einrichtung (22) zur Steuerung bzw. Regelung der Temperatur auf der Grundlage der thermischen Eigenschaften des von den Prägestempeln (17, 18) gehaltenen Glasrohlings (20) und mit einer Einrichtung (21) zum Steuern bzw. Regeln des Drucks versehen sind.

3. Maschine (K) nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der Schritte in der Heizzone, in der Deformationszone und in der Kühlzone jeweils willkürlich verändert werden kann.

4. Maschine (K) nach Anspruch 1, wobei die Transporteinrichtung (34) aus zwei Zylindern (35, 36) und einem Schieber (37) aufgebaut ist, der eine kammförmige Gestalt hat.

5. Maschine (K) nach Anspruch 1, wobei die Sektionen (3-5, 10-12) der Heizzone, die Deformationszone (6, 13) und die Sektionen (7-9, 14-16) der Kühlzone jeweils ein vertikal bewegbares Glied (21) aufweisen, wobei in der Nähe des vertikal bewegbaren Glieds (21) ein Kabel (43) für einen Heizer (22), ein Thermoelement (44) und ein Kühlrohr (47, 48) so vorgesehen sind, daß sie an einem Teil des vertikal bewegbaren Glieds (21) in der Kammer (1) so angebracht sind, daß ein Brechen des Kabels (23), des Thermoelements (44) und des Kühlrohrs (47, 28) aufgrund von Biegebelastung verhindert wird, die während der vertikalen Bewegung des vertikal bewegbaren Gliedes (21) erzeugt wird.

6. Maschine (K) nach Anspruch 1, wobei die Sektionen (3-5, 10-12) der Heizzone, die Deformationszone (6, 13) und die Sektionen (7-9, 14-16) der Kühlzone jeweils so aus oberen und unteren Heizplatten (3-9, 10-16) aufgebaut sind, daß mindestens eine der oberen Heizplatten (10-16) mit einer Auslöseeinrichtung (57, 58) versehen ist, um diese obere Heizplatte (10-16) vom oberen Prägestempel (17) zu lösen.

7. Maschine (K) nach Anspruch 6, wobei die Auslöseeinrichtung (57, 58) einen Zapfen (57), der in diese obere Heizplatte (10-16) bewegbar eingebettet ist, und eine auf Druck wirkende Feder (58) aufweist, um den Zapfen gegen den oberen Prägestempel (17) zu drücken.

8. Maschine (K) nach Anspruch 1, wobei beim Laden des Prägeblocks in und beim Ausbringen des Prägeblocks aus der Kammer (1) entweder der erste oder der zweite Verschluß (28, 30) geschlossen ist.

9. Maschine (K) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung bzw. Regelung der Temperatur und des Drucks in der Heizzone (3-5, 10-12), der Deformationszone (6, 13) und der Kühlzone (7-9, 14-16) in sieben Schritten durchgeführt werden.

10. Maschine (K) nach Anspruch 1, wobei die Sektionen (3-5, 10-12) der Heizzone, die Deformationszone (6, 13) und die Sektionen (7-9, 14-16) der Kühlzone jeweils so aus oberen und unteren Heizplatten (3-9, 10-16) aufgebaut sind, daß jede der oberen und unteren Heizplatten (3-9, 10-16) mit einer Wärmeisolierungsplatte (3-9, 10-16) geschützt ist, nicht jedoch die Fläche, die mit dem entsprechenden oberen und unteren Prägestempel (17, 18) in Kontakt steht.

11. Maschine (K) nach Anspruch 10, wobei die Wärmeisolierungsplatte (41a-41e, 50a-50e) von einem glasartigen Rad gebildet wird, welches hauptsächlich aus Aluminiumoxid und Siliciumcarbid besteht.

12. Maschine nach Anspruch 1, wobei die Sektionen (3-5, 10-12) der Heizzone, die Deformationszone (6, 13) und die Sektionen (7-9, 14-16) der Kühlzone jeweils aus oberen und unteren Heizplatten (3-9, 10-16) aufgebaut sind und die oberen und unteren Heiz platten (3-9, 10-16) jeweils mit einem Heizer (22) und einem Spalteinstellungsglied (54) versehen sind, um einen Spalt zwischen dem Heizer (22) und jeder der oberen und unteren Heizplatten (3-9, 10-16) auszufüllen.

13. Maschine (K) nach Anspruch 12, wobei das Spalteinstellungsglied durch Polieren von Schleifkörnern (54) aus Aluminiumoxid, Siliciumcarbid und Zirconiumoxid gebildet ist.

14. Maschine nach Anspruch 11, wobei die Wärmeisolierungsplatte (41a-41e; 50a-50e) eine Porosität von 40 % oder weniger hat.

15. Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements mit einer Maschine (K) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend:

den ersten Schritt, daß man einen oberen und einen unteren Prägestempel (17, 18), eine Hülsenform (19) zum Tragen der Prägestempel (17, 18) und einen Glasrohling (20) zum Herstellen eines Prägeblocks zu einem Teil miteinander vereinigt;

den zweiten Schritt, daß man den Prägeblock von oben und unten in einem oder in mehreren Schritten beheizt;

den dritten Schritt, daß man den Glasrohling (20) mit den Prägestempeln (17, 18) in einem oder in mehreren Schritten preßt, um ihn zu deformieren; und den vierten Schritt, daß man den Prägeblock von oben und unten in einem oder in mehreren Schritten abkühlt;

wobei man den zweiten bis vierten Schritt kontinuierlich in nicht oxidierender Atmosphäre in ein und derselben Kammer (1) durchführt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei man den zweiten bis vierten Schritt in insgesamt sieben Sektionen durchführt.

17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei man im vierten Schritt die Temperaturdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Prägestempel (17, 18) auf indirekte Weise gemäß der Gestalt des optischen Elements einstellt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei man zum Erhalten der Temperaturdifferenz zwischen dem oberen und unteren Prägestempel (17, 18) eine oberen Heizplatte (15) außerhalb des Kontaktes mit dem oberen Prägestempel (17) hält.

19. Verfahren nach Anspruch 15, wobei man beim vierten Schritt das Abkühlen des Prägeblocks von der Deformationstemperatur des Glasrohlings (20) zum Glasübergangspunkt einmal oder mehrmals durchführt.

20. Verfahren nach Anspruch 15, wobei man die geformte Fläche des Glasrohlings (20) jeweils auf die optisch funktionelle Fläche (D) des oberen und unteren Prägestempels (17, 18) beschränkt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei man die Fläche des geformten optischen Elements, die nicht die geformte Fläche darstellt, mit mechanischen Mitteln bearbeitet.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei man für eine geformte Glaslinse ein Material einsetzt, welches eine weitere Schicht mit hohem Schmelzpunkt aufweist, die auf einer Oberfläche eines Linsenrohlings (63) aus Glas gebildet ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei Bestandteile, die niedrige Schmelzpunkte aufweisen und in Glas enthalten sind, mit einer chemischen Arbeitstechnik aus einer Glasoberfläche selektiv eluiert werden, so daß auf der Glasoberfläche eine weitere Schicht (62) aus Zusammensetzungen gebildet wird, die hohe Schmelzpunkte aufweisen, wodurch man den Glasrohling (20) erhält.