JP2003176137A - 石英ガラス素子の成形装置及び成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】成形温度の高い石英ガラス素子をリヒートプレ
スにより成形する際に、加熱・プレス時間を短縮する。 【解決手段】加熱された石英ガラス素材３２をプレス成
形して石英ガラス素子とする上下型組立４，１１を有
し、これら上下型組立は、それぞれ、材質が等方性カー
ボンの上下モールドダイ７，１４と、材質がガラス状カ
ーボンの上下コアモールド６，１３とを備えており、上
下コアモールド６，１３間に石英ガラス素材３２が上下
コアモールド６，１３から伝熱可能な密接した状態にな
るようにトルク制御して、石英ガラス素材３２を上下コ
アモールド６，１３間に挟み込む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に成形用ガラス
素材の加熱時間の短縮を図った石英ガラス素子の成形装
置及び成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラスレンズなどの高精度が要求される
ガラス素子の製造方法は、ガラス素材を研削・研磨して
光学面を形成する方法と、リヒートプレスによる製造方
法との二種類に大別され、前者の方法によりガラス素子
を製造することが多い。

【０００３】しかし、前者の方法では、研削・研磨によ
る曲面形成に十数工程が必要であるうえに、作業者に有
害なガラス研削粉が多量に発生する問題点がある。さら
に、前者の方法は、付加価値の高い非球面形状の光学面
を持つガラスレンズを同じ精度で大量に製作することが
困難であるという問題点を持っている。

【０００４】それに対して後者のリヒートプレスによる
製造方法は、予め所定形状に製作したガラス素材を加熱
し、プレスすることにより型の形状をガラス素材に転写
させ、ガラスレンズなどのガラス素子を成形する方法で
あり、曲面形状に必要な工程はプレス成形の一工程のみ
であるという利点がある。また、型を一度製作すれば、
型の精度に準じた成形品がいくつも製作することも可能
であるという利点がある。

【０００５】近年、石英ガラス素子は、ガラス素子の中
でも、熱膨張が少ない、不純物が少ない、紫外線透過率
が良い等の理由から非常に注目され、光通信分野や医療
分野での用途が期待されている。そのため、石英ガラス
素子は、マイクロレンズアレイ等形状の複雑なもの、ま
たは、大きさも超小型のものから大型のものまで各種要
求されるようになっている。

【０００６】しかし、上述したリヒートプレスによる製
造方法で石英ガラス素子を成形する場合、以下の問題が
残されている。リヒートプレスによる製造方法では、型
の間にガラス素材を置き、型の酸化を防止する目的で型
およびガラス素材を含む成形室内を不活性ガス雰囲気も
しくは真空雰囲気にしたうえで、抵抗加熱装置、高周波
加熱装置や赤外線ランプ等により加熱し、ガラス素材を
型によりプレスした後、成形品を冷却して取り出す方法
が取られる。通常の光学ガラスを成形する場合は、成形
温度が高くても約７００℃であり、型材料としては、一
般的に超硬合金（ＷＣ）が用いられている。しかし、石
英ガラス素材のように成形温度が約１４００℃と高いガ
ラス素材では、高温での耐熱性のある型材が必要とな
る。さらに、石英ガラス素材は長時間１２００℃以上の
高温にさらされると結晶化のため失透するという問題が
あり、失透したガラス素子は光学素子としては使用不可
能なため、加熱・プレス時間の短縮がリヒートプレスに
は必要不可欠となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、成形温度の
高い石英ガラス素子をリヒートプレスにより成形する際
に、加熱・プレス時間を短縮することを目的としてい
る。

【０００８】本発明は、さらに、加熱・プレス時間を短
縮するために、上下型から石英ガラス素材への熱伝導性
を改良することを目的としている。

【０００９】本発明は、上下型から石英ガラス素材への
熱伝導性を改良するために、上下型を構成する上下コア
モールド及びこれらの周囲を囲む上下モールドダイの材
質の組み合わせを改良することを目的としている。

【００１０】本発明は、上下型から石英ガラス素材への
熱伝導性を改良するために、上下型と石英ガラス素材と
の接触状態を改良することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】これらの目的を達成する
ために、本発明に係る石英ガラス素子の成形装置は以下
の構成要素を備え、本発明に係る石英ガラス素子の成形
方法は以下の工程を備える。 １． 石英ガラス素子の成形装置であって、以下の構成
要素を備えている。 上型組立、この上型組立は、材質が等方性カーボンの
上モールドダイと、この上モールドダイに周囲を保持さ
れ、材質がガラス状カーボンの上コアモールドとを備え
ている。 下型組立、この下型組立は、材質が等方性カーボンの
下モールドダイと、この下モールドダイに周囲を保持さ
れ、材質がガラス状カーボンの下コアモールドとを備え
ている。 上記上下型組立の上下コアモールド間には、石英ガラス
素材が配置される、 加熱手段、この加熱手段は、上記上下型組立及び石英
ガラス素材を加熱する。 プレス手段、このプレス手段は、加熱された石英ガラ
ス素材を前記上下型組立間でプレス成形して、石英ガラ
ス素子とする。 ２． 石英ガラス素子の成形装置の上型組立は、上モー
ルドダイ及び上コアモールドが取り付けられる上ダイプ
レートを更に備えている。

【００１２】下型組立は、下モールドダイ及び下コアモ
ールドが取り付けられる下ダイプレートを更に備えてい
る。

【００１３】この装置は、更に、上型組立の上ダイプレ
ートの上端に取り付けられている上型断熱筒と、上型断
熱筒の上端に取り付けられている固定軸と、下型組立の
下ダイプレートの下端に取り付けられている下型断熱筒
と、断熱筒の下端に取り付けられている移動軸と、を具
備している。

【００１４】３． 石英ガラス素子の成形装置であっ
て、更に、移動軸を軸方向に移動させる移動手段と、移
動手段による移動軸の移動速度、位置、及びトルクを制
御する制御手段と、を具備している。

【００１５】４． 石英ガラス素子の成形装置は、更
に、上下型組立の周囲を囲む筒を備え、上下型組立を大
気から遮断する成形室を備えている。

【００１６】５． 石英ガラス素子の成形装置であっ
て、前記筒は石英ガラス管であり、前記加熱手段は赤外
線による加熱手段で、前記石英ガラス管の周囲に配置さ
れている。

【００１７】６． 石英ガラス素子の成形装置は、更
に、固定軸及び/又は移動軸に形成され、成形室内に不
活性ガスを供給して、成形室内を不活性ガス雰囲気にし
及び/又は上下型組立を冷却するガス供給路、を備えて
いる。

【００１８】７． 石英ガラス素子の成形方法であっ
て、 材質が等方性カーボンの上モールドダイ及びこの上モ
ールドダイに周囲を保持され、材質がガラス状カーボン
の上コアモールドを備えている上型組立と、材質が等方
性カーボンの下モールドダイ及びこの下モールドダイに
周囲を保持され、材質がガラス状カーボンの下コアモー
ルドとを備えている下型組立とを用意する工程と、 上下型組立の上下コアモールド間に石英ガラス素材を
配置する工程と、 上下コアモールド間に配置された石英ガラス素材が上
下コアモールドから伝熱可能な密接した状態になるよう
に、上下コアモールド間に石英ガラス素材を挟み込む工
程と、 この挟み込んだ状態で上下型組立及び石英ガラス素材
を所定温度に加熱する工程と、 所定温度に加熱された石英ガラス素材をプレス成形す
る工程とを具備している石英ガラス素子の成形方法。

【００１９】８． 上下コアモールド間に石英ガラス素
材を挟み込む工程は、加熱状態にあるとき、上下型組立
間に０．０１〜１ｋＮのプレス力で石英ガラス素材を押
圧する工程を備えている。

【００２０】９． 材質が等方性カーボンの胴型と、こ
の胴型に周囲を移動可能に支持され、材質がガラス状カ
ーボンの上下コアモールドとを備え、上記上下コアモー
ルド間には、石英ガラス素材が配置される、さらに上記
胴型、上下コアモールド及び石英ガラス素材を加熱する
加熱手段と、加熱された石英ガラス素材を上記上下コア
モールド間でプレス成形して、石英ガラス素子とするプ
レス手段と、を具備している石英ガラス素子の成形装
置。

【００２１】１０． 材質が等方性カーボンの胴型と、
この胴型に周囲を移動可能に支持され、材質がガラス状
カーボンの上下コアモールドとを用意する工程と、上記
上下コアモールド間に石英ガラス素材を配置する工程
と、上記上下コアモールド間に配置された石英ガラス素
材が上下コアモールドから伝熱可能に密接した状態にな
るように、上下コアモールド間に石英ガラス素材を挟み
込む工程と、この挟み込んだ状態で、胴型、上下コアモ
ールド、及び石英ガラス素材を所定温度に加熱する工程
と、所定温度に加熱された石英ガラス素材をプレス成形
する工程と、を具備している石英ガラス素子の成形方
法。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照し説明する。本発明に係る石英ガラス素子の成形装置
の１例を図１（全体図）及び図２（要部の拡大図）に示
す。この装置はフレーム１の上部から固定軸２が下方に
向かって伸びており、その下端にセラミックス製の上型
断熱筒３を介して上型組立４が図示しないボルト等によ
り取り付けられている。上型組立４は、金属製又はセラ
ミックス・カーボン製の上ダイプレート５、ガラス状カ
ーボンで作られ成形される石英ガラス素子の成形表面を
成形するための上コアモールド６、及び等方性カーボン
からなり上コアモールド６の周囲を囲む上モールドダイ
７を備えている。上モールドダイ７及び上コアモールド
６は上ダイプレート５に取り付けられており、上ダイプ
レート５は上型断熱筒３に取り付けられている。

【００２３】フレーム１の下部にはサーボモータ８ａを
駆動源とし、サーボモータ８ａの回転運動を直線運動推
力に変換するスクリュージャッキ等の駆動装置８が設け
られ、駆動装置８には荷重検出装置８ｂを介して移動軸
９が取り付けられている。移動軸９は固定軸２と対向し
て上方に向かって伸びており、制御装置２７に入力した
プログラムにより、速度、位置およびトルク制御可能に
上下動するものである。移動軸９の上端には上型断熱筒
３と同様の下型断熱筒１０が取り付けられている。下型
断熱筒１０を介して下型組立１１が図示しないボルト等
により取り付けられている。下型組立１１は、金属製又
はセラミックス・カーボン製の下ダイプレート１２、ガ
ラス状カーボンで作られた下コアモールド１３および等
方性カーボンからなる下モールドダイ１４を備えてい
る。下モールドダイ１４及び下コアモールド１３は下ダ
イプレート１２に取り付けられており、下ダイプレート
１２は下型断熱筒１０に取り付けられている。

【００２４】前記固定軸２にはブラケット１５が移動可
能に結合され、このブラケット１５は図示しない駆動装
置によって上下動されるものである。ブラケット１５に
は対をなす上下型組立４，１１の周囲を囲むフランジ付
の好ましくは透明な石英ガラス等から成る筒（以下、石
英ガラス管という）１６と、石英ガラス管の周囲に設け
られた外筒１８が取り付けられている。外筒１８の内周
にはランプユニット１９が取り付けられている。ランプ
ユニット１９は、赤外線ランプ２０とその後方に配置さ
れた反射ミラー２１、さらに反射ミラー２１を冷却する
ための図示しない水冷パイプから構成されている。ラン
プユニット１９により上下型組立４，１１及び上下型組
立間に配置される石英ガラス素材３２を加熱するように
なっている。

【００２５】石英ガラス管１６の上端のフランジ部分
は、ブラケット１５にはめ込まれたＯ−リングに気密当
接している。また、フレーム１は中間プレート１ａを備
え、この中間プレート１ａには、Ｏ−リングを配置した
移動軸貫通孔が形成され、この貫通孔を移動軸９がＯ−
リングに気密当接して貫通している。石英ガラス管１６
の下端のフランジ部分は、中間プレート１ａ上に取り付
けられた取付座１ｂのＯ−リングに気密当接している。
上下型組立４，１１の周囲に、ブラケット１５、石英ガ
ラス管１６、取付座１ｂ及び中間プレート１ａで囲まれ
た成形室１７が形成され、この成形室１７は大気から遮
断されている。

【００２６】前記固定軸２及び移動軸９には、成形室１
７内を不活性ガス雰囲気にしたり、及び/又は上下型組
立４，１１を冷却するためのガス供給路２２，２３がそ
れぞれ設けられている。これらガス供給路２２，２３を
通して不活性ガスを成形室１７へ供給するようになって
いる。不活性ガスの流量は、図示しない流量コントロー
ル計により所定流量となるように制御される。成形室１
７へ供給された不活性ガスは、ガス排出路２４から排気
される。なお、２５は真空排気口、２６は下型組立１１
の温度検出用熱電対、２８は真空バルブ、２９はガス排
気バルブ、３０は真空排気装置、３１は真空計である。

【００２７】次に本発明の実施例について説明する。た
だし、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

【００２８】石英ガラス素材 石英ガラスは非常に赤外線透過率が良いため、石英ガラ
ス自体を赤外線ランプで加熱することは難しい。このた
め、型からの伝熱により石英ガラス素材を加熱すること
が望ましい。本実施例では、石英ガラス素材として溶融
石英を用いてテストを行った。素材形状はφ２０ｍｍ×
ｔ２ｍｍである。溶融石英の成形温度は１５００℃であ
るが、１２００℃以上の高温状態に置かれる時間が長い
と（３００ sec程度以上）石英ガラス素子が結晶化し始
め、白濁が起こる。

【００２９】モールドダイの素材 上下モールドダイ７，１４の素材として、等方性カーボ
ン（ＳＦＧ−２：ポコカーボン（POCO GRAPHITE）；商
品名）を用いた。この等方性カーボンは熱伝導率が１２
１Ｗ／ｍＫと良く、耐熱衝撃性も良好である。なお、比
較として、モールドダイ素材としてＳｉＣを使用した場
合、耐熱性および熱伝達率は良好（６３Ｗ／ｍＫ）だが
耐熱衝撃性が悪く、加熱速度を５℃／ｓｅｃ以上にする
と、熱衝撃で破損してしまった。このようにＳｉＣは熱
衝撃により破損しやすいため、昇温速度を低くする必要
があり、加熱速度を上げることができない。

【００３０】コアモールドの素材 石英ガラス素材３２を成形する上下コアモールド６，１
３の素材としてガラス状カーボンを用いた。この素材
は、耐熱性が良い、硬い、鏡面を出すことができる、石
英ガラスとの反応を起こしにくい等の特長を持つ。反
面、この素材は、熱伝達率が悪い（５．８Ｗ／ｍＫ）た
め、上下モールドダイ（等方性カーボン）７，１４から
の熱伝達が悪いという欠点を持っている。

【００３１】上下コアモールドと石英ガラス素材との密
着 そこで、石英ガラス素材３２を加熱するためには石英ガ
ラス素材３２が上下コアモールド６，１３に接触してい
る面積が大きいことが必要となる。ここで、上下コアモ
ールド６，１３及びガラス素材３２の破損がないよう
に、かつ、石英ガラス素材３２を上下コアモールド６，
１３から伝熱可能な密接した状態に挟み込むようにトル
ク制御をして上下コアモールド６，１３と石英ガラス素
材３２を密着させ、赤外線ランプ２０による加熱を行っ
た。具体的には、上下型間に０．０１〜１ｋＮのプレス
力がかかるようにトルク制御して、成形可能な温度であ
る１５００℃まで加熱し、その後５ｋＮのプレス力を加
えて石英ガラス素子に成形した。この結果、１２００℃
以上の高温状態の時間が３００ sec程度と短くなり、成
形後の石英ガラス素子に失透は起こらなかった。これに
対し、モールドダイの素材としてガラス状カーボンを用
い、他の構成は実施例と同じ従来の装置を用い、上下コ
アモールドと石英ガラス素材を密着させない点を除き上
記実施例と同じ方法により、石英ガラス素子を成形した
場合、１２００℃以上の高温状態の時間が５００ secを
要し、成形された石英ガラス素子に失透が生じた。

【００３２】以上の実施例からわかるように、本発明の
石英ガラス素子の成形方法によれば、石英ガラスを成形
する場合でも、石英ガラスの失透を起こさず、成形を行
うことができる。さらに成形時間も短くなるため、製作
コストの削減が可能となる。

【００３３】本発明は、前述した実施例に限定されるも
のではなく、抵抗加熱装置や高周波加熱装置を用いてモ
ールドダイ、さらにはコアモールドを加熱する方式の成
形装置にも適用することができる。また、図３に示すよ
うなコアモールド４１，４２と、胴型４３とからなる公
知の型構成を用いる成形装置にも適用することができ、
この装置においては胴型４３を等方性カーボンとし、コ
アモールド４１，４２をガラス状カーボンとする。

【００３４】

【発明の効果】本発明では、石英ガラス素材を加熱・プ
レス成形する装置において、等方性カーボンの上下モー
ルドダイと、ガラス状カーボンの上下コアモールドを用
いる。等方性カーボンは熱伝導率が高く、耐熱衝撃性も
良好であることから、この材質のモールドタイを用いる
ことにより、加熱・プレス時間を短縮することができ
る。一方、ガラス状カーボンは、耐熱性が良い、硬い、
鏡面を出すことができる、石英ガラスとの反応を起こし
にくい等の特長を持つ。しかし、ガラス状カーボンは、
等方性カーボンに比べて熱伝達率が悪いため、等方性カ
ーボンのモールドダイからの熱伝達が悪い。そこで本発
明では、一対の上下コアモールド間に石英ガラス素材を
伝熱可能な密接した状態に挟み込んで加熱する。このこ
とにより、加熱・プレス時間をより一層短縮し、石英ガ
ラスの結晶化による失透をより確実に防ぐことが出来
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】光学素子の成形装置の一例を示す概略断面図

【図２】図１の要部拡大図

【図３】本発明の他の実施例を示す要部拡大図

【符号の説明】

１・・・フレーム １ａ・・・中間プレート １ｂ・・・取付座 ２・・・固定軸 ３・・・上型断熱筒 ４・・・上型組立 ５・・・上ダイプレート ６・・・上コアモールド ７・・・上モールドダイ ８・・・駆動装置 ８ａ・・・サーボモータ ８ｂ・・・荷重検出装置 ９・・・移動軸 １０・・・下型断熱筒 １１・・・下型組立 １２・・・下ダイプレート １３・・・下コアモールド １４・・・下モールドダイ １５・・・ブラケット １６・・・石英ガラス管 １７・・・成形室 １８・・・外筒 １９・・・ランプユニット ２０・・・赤外線ランプ ２１・・・反射ミラー ２２，２３・・・ガス供給路 ２４・・・ガス排出路 ２５・・・真空排気口 ２６・・・温度検出用熱電対 ２７・・・制御装置 ２８・・・真空バルブ ２９・・・ガス排気バルブ ３０・・・真空排気装置 ３１・・・真空計 ３２・・・石英ガラス素材 ４１，４２・・・コアモールド ４３・・・胴型

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 1/00 Ｇ０２Ｂ 1/00

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 材質が等方性カーボンの上モールドダイ
   と、この上モールドダイに周囲を保持され、材質がガラ
   ス状カーボンの上コアモールドとを備えている上型組立
   と、 材質が等方性カーボンの下モールドダイと、この下モー
   ルドダイに周囲を保持され、材質がガラス状カーボンの
   下コアモールドとを備えている下型組立と、 上記上下型組立及び石英ガラス素材を加熱する加熱手段
   と、 加熱された石英ガラス素材を前記上下型組立間でプレス
   成形して、石英ガラス素子とするプレス手段とを具備
   し、 上記上下型組立の上下コアモールド間には、石英ガラス
   素材が配置される石英ガラス素子の成形装置。
2. 【請求項２】 上型組立は、上モールドダイ及び上コア
   モールドが取り付けられる上ダイプレートを更に備え、 下型組立は、下モールドダイ及び下コアモールドが取り
   付けられる下ダイプレートを更に備え、 成型装置は、更に、 上型組立の上ダイプレートの上端に取り付けられている
   上型断熱筒と、 上型断熱筒の上端に取り付けられている固定軸と、 下型組立の下ダイプレートの下端に取り付けられている
   下型断熱筒と、 断熱筒の下端に取り付けられている移動軸と、 を具備している請求項１の装置。
3. 【請求項３】 移動軸を軸方向に移動させる移動手段
   と、 移動手段による移動軸の移動速度、位置、及びトルクを
   制御する制御手段とを更に、具備している請求項２の装
   置。
4. 【請求項４】 更に、上下型組立の周囲を囲む筒を備え
   ることにより、上下型組立を大気から遮断する成形室を
   備えている請求項１〜３のいずれか記載の装置。
5. 【請求項５】 前記筒は石英ガラス管であり、前記加熱
   手段は赤外線による加熱手段で、前記石英ガラス管の周
   囲に配置されている請求項４の装置。
6. 【請求項６】 更に、ガス供給路を備え、このガス供給
   路は、固定軸及び/又は移動軸に形成され、成形室内に
   不活性ガスを供給して、成形室内を不活性ガス雰囲気に
   し及び/又は上下型組立を冷却するものである請求項２
   〜５のいずれかの装置。
7. 【請求項７】 材質が等方性カーボンの上モールドダイ
   及びこの上モールドダイに周囲を保持され、材質がガラ
   ス状カーボンの上コアモールドを備えている上型組立
   と、材質が等方性カーボンの下モールドダイ及びこの下
   モールドダイに周囲を保持され、材質がガラス状カーボ
   ンの下コアモールドとを備えている下型組立とを用意す
   る工程と、上下型組立の上下コアモールド間に石英ガラ
   ス素材を配置する工程と、上下コアモールド間に配置さ
   れた石英ガラス素材が上下コアモールドから伝熱可能な
   密接した状態になるように、上下コアモールド間に石英
   ガラス素材を挟み込む工程と、この挟み込んだ状態で上
   下型組立及び石英ガラス素材を所定温度に加熱する工程
   と、所定温度に加熱された石英ガラス素材をプレス成形
   する工程とを具備している石英ガラス素子の成形方法。
8. 【請求項８】 上下コアモールド間に石英ガラス素材を
   挟み込む工程は、加熱状態にあるとき、上下型組立間に
   ０．０１〜１ｋＮのプレス力で石英ガラス素材を押圧す
   る工程を備えている請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】 材質が等方性カーボンの胴型と、この胴
   型に周囲を移動可能に支持され、材質がガラス状カーボ
   ンの上下コアモールドとを備え、 更に、上記胴型、上下コアモールド及び石英ガラス素材
   を加熱する加熱手段と、 加熱された石英ガラス素材を上記上下コアモールド間で
   プレス成形して、石英ガラス素子とするプレス手段と、 を具備し、上記上下コアモールド間には、石英ガラス素
   材が配置される石英ガラス素子の成形装置。
10. 【請求項１０】 材質が等方性カーボンの胴型と、この
    胴型に周囲を移動可能に支持され、材質がガラス状カー
    ボンの上下コアモールドとを用意する工程と、 上記上下コアモールド間に石英ガラス素材を配置する工
    程と、 上記上下コアモールド間に配置された石英ガラス素材が
    上下コアモールドから伝熱可能に密接した状態になるよ
    うに、上下コアモールド間に石英ガラス素材を挟み込む
    工程と、 この挟み込んだ状態で、胴型、上下コアモールド、及び
    石英ガラス素材を所定温度に加熱する工程と、 所定温度に加熱された石英ガラス素材をプレス成形する
    工程と、を具備している石英ガラス素子の成形方法。