JP2003292326A

JP2003292326A - ガラス素子の成形方法および装置

Info

Publication number: JP2003292326A
Application number: JP2002097524A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Fukuyama; 聡福山; Hiroshi Murakoshi; 洋村越; Shusaku Matsumura; 修作松村
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】成形型の酸化を防止するとともに、サイクル
タイムの短縮が可能なガラス素子の成形方法を提供す
る。【解決手段】成形室内の一対の成形型間にガラス素材
を配置し、前記成形型およびガラス素材を加熱してガラ
ス素材をプレスすることによるガラス素子の成形方法で
あって、成形室内を真空排気する際にスローブレイクす
ることを特徴とするガラス素子の成形方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガラス素子の成形
方法および装置に関するものである。

【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としては、研削・研磨により製造
されるものと、リヒートプレスにより製造されるものの
二種類に大別される。

【０００３】一般に、ガラス素材を研削・研磨して光学
面を形成する方法が、光学ガラス素子の製造方法として
多く用いられている。しかし研削・研磨による曲面形成
には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。さらに研削・
研磨では、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難しいと
いう問題点もある。

【０００４】それに対してリヒートプレスは、溶融した
ガラスを一度冷却して製作したガラス素材を加熱し、プ
レスすることにより成形型の形状をガラス素材に転写
し、ガラスレンズなどのガラス素子を成形する方法であ
る。そのため、曲面形成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。また成形型を一度製
作すれば、成形型の精度に準じた成形品をいくつも製作
することも可能であるという利点もある。

【０００５】なお成形型の長寿命化のため、型の周りの
雰囲気は不活性雰囲気もしくは真空雰囲気であることが
望ましい。

【０００６】ところで近年、光通信分野や医療分野で、
ガラス素子は非常に注目されている。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、石英ガラス素子が注目されている。そのためガラ
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、大きさも超小型のものから大型のものまで各種必
要となってくる。

【０００７】リヒートプレスでは、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、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。

【０００８】通常の光学ガラスを成形する場合には、成
形温度が高くても約７００℃であったが、石英ガラスの
場合には成形温度は約１４００℃と高い。このような成
形温度の高いガラス素材を成形する際、成形室内の酸素
と成形型とが反応して、成形型が酸化することが問題と
なっている。成形型の酸化防止のために成形室内を真空
雰囲気にする際、圧力が低くなるに連れて成形型および
ガラス素材とその周囲には断熱層ができるため、成形型
およびガラス素材の加熱速度が低下し、サイクルタイム
が長くなる。

【０００９】一方、ガラス素材や成形型のまわりに空
気、不活性ガス等のガス雰囲気があれば、ガラス素材や
型へのガス雰囲気からの伝熱がある。ガス雰囲気は対流
により均熱化されるため、ガラス素材や型のまわりに均
等に熱を伝えることができる。

【００１０】しかし、成形室内を排気してから加熱する
と、ランプからのふく射のみで温度が上昇することにな
る。ふく射による加熱では、ガラス素材は透明なためラ
ンプからの赤外線は透過し、ガラス素材自身は温度が上
がらず、加熱された成形型からの伝熱で温度が上昇する
ことになる。

【００１１】通常よく用いられるレンズ用のガラス素材
は、成形型と接する面積がわずかであり、そこからのみ
の伝熱のため、ガラス素材は温度差が大きくなる。また
型の外側からランプ加熱をしているため、型によってラ
ンプの光の影になる場所もあり、ふく射のみの加熱では
温度差がつきやすくなる。

【００１２】前述したように、型の酸化を防止するため
には、不活性ガスで成形室内をパージして空気を排気
し、不活性ガスを成形室内に充満させる方法もあるが、
型の細かい部分に空気が残り、型の酸化は防止できな
い。また、型が雰囲気中にある場合は型からガラス素材
への転写性が悪くなる。そのため、不活性ガスを成形室
内に充満させるよりも、成形室内を低圧にした方が、型
の酸化の防止と転写性の向上に効果があるので、成形室
内を低圧にする方法がよく用いられる。

【００１３】しかし常圧と低圧とでは成形室内の温度特
性が異なる。常圧で温度制御を行なって安定に設定温度
を保っていても、真空排気を行なうと温度が乱れ、温度
が安定するのに時間がかかる。時には温度のハンチング
が収まらない場合もある。温度が安定しないと、高品質
な成形品を得ることが難しい。特にハンチングが大きく
て温度が上がりすぎてしまうと、ガラス素材が熱分解を
生じ、透明度は落ち、成形品の光学部品としての利用は
難しくなる。

【００１４】また真空排気を行なうと、成形室内の雰囲
気が乱れて温度変動が起きやすいだけでなく、雰囲気の
乱れが大きい場合に成形型上のガラス素材が移動して、
正確な成形品が得られなくなる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、成形
型の酸化を防止するとともに、サイクルタイムの短縮が
可能なガラス素子の成形方法および装置を提供すること
である。また本発明の目的は、成形室内を真空排気する
際の温度変動を抑え、成形型上のガラス素材の移動を防
ぐことが可能なガラス素子の成形方法および装置を提供
することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、成形室
内の一対の成形型間にガラス素材を配置し、前記成形型
およびガラス素材を加熱してガラス素材をプレスするこ
とによるガラス素子の成形方法であって、成形室内を真
空排気する際にスローブレイクすることを特徴とするガ
ラス素子の成形方法が提供される。

【００１７】なおスローブレイクとは、バルブ等を用い
て真空排気速度のコントロールを行なうことを指す。

【００１８】本発明においては、成形室内を真空排気す
る際、成形室内の温度を検出しながらバルブをコントロ
ールすることによってスローブレイクすることが好まし
い。

【００１９】また本発明においては、成形室内を真空排
気する際、成形室内の圧力を検出しながらバルブをコン
トロールすることによって、スローブレイクすることが
好ましい。

【００２０】また本発明においては、成形室内を真空排
気する際、排気路に抵抗体を設けることによって、スロ
ーブレイクすることが好ましい。

【００２１】また本発明によれば、一対の成形型と、前
記成形型およびガラス素材を加熱する手段と、加熱され
たガラス素材をプレスしてガラス素子を成形する手段
と、前記成形型の周囲を気密に取り込む成形室と、この
成形室内を真空排気する真空排気手段とを備えたガラス
素子の成形装置であって、成形室の排気路に抵抗体を備
えることを特徴とするガラス素子の成形装置が提供され
る。

【００２２】本発明においては、抵抗体が、バタフライ
バルブ、ゲートバルブ、邪魔板、口径を絞った管、孔の
空いた板、多孔質体から選択されることが好ましい。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明では、成形室内および成形
型の温度上昇に伴う成形型の酸化を防ぐために、例え
ば、成形室内の温度および／または圧力を検出しながら
バルブまたは抵抗体を制御して、スローブレイクを行な
う。このようにして成形室内の圧力を調整することで、
成形型の酸化を防ぐとともに、サイクルタイムの短縮を
可能にすることができる。

【００２４】成形型の酸化には、成形室内の雰囲気温度
と酸素濃度の関係が大きな影響を及ぼすため、本発明で
は、成形室内および成形型の温度が上昇するに連れて、
成形室内の圧力を低くして成形室内の酸素濃度を適切な
値まで下げ、成形型の酸化を防止する。

【００２５】本発明では、真空排気をフィードバック制
御で行ない、排気中に圧力の設定値を徐々に変更しても
良い。こうすることで、成形室内の圧力が徐々に変化す
るため、成形室内の温度変動が抑えられ、成形型上のガ
ラス素材の移動も防止できる。

【００２６】また真空排気を、成形室内の温度および／
または圧力に基づいたフィードバック制御で行ない、排
気中に圧力の設定値を徐々に変更しても良い。例えば成
形室内の温度を検出し、ハンチングが生じるかまたは設
定値からの乖離が大きくなった場合は、圧力設定値の変
化速度を小さくして温度変動を抑える。ハンチングの判
定は例えば、温度と温度設定値との差の絶対値の移動平
均で判断する。

【００２７】また本発明においては、成形室内の圧力
を、成形室内の温度および／または圧力を検出しなが
ら、真空排気口に設けた抵抗体（バタフライバルブ、ゲ
ートバルブ、邪魔板、口径を絞った管、孔の空いた板、
多孔質体など）を用いて、スローブレイクしながら調節
しても良い。このように成形室から排気を行なう排気路
に設けた抵抗体により、成形室内の圧力が一気に低下す
ることを避け、圧力を徐々に変化させる。こうして成形
室内の圧力変化を小さくできるので、成形室内の温度変
動が抑えられ、成形型上のガラス素材の移動も防止でき
る。

【００２８】図１は本発明の方法の実施に用いるガラス
素子の成形装置の一例を示す概略断面図である。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
びている。その下端にはセラミック製の断熱筒３が取り
付けられ、この断熱筒３には上型組み立て４が図示しな
いボルト等により取り付けられている。上型組み立て４
は、金属製またはセラミック・カーボン製のダイプレー
ト５と、セラミックや超硬合金などで作られた上型６
と、この上型６をダイプレート５に取り付けるとともに
型の一部を形成する固定ダイ７とからなっている。断熱
筒３は、窒化珪素または炭化珪素などの耐熱材料および
高強度材料であるセラミックス材料からなる。

【００２９】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
られている。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、制御装
置２９に入力され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し、固定軸２と対向して上方
に向かって伸びている。移動軸９の上端には、断熱筒３
と同様の断熱筒１０が取り付けられている。断熱筒１０
に取り付けられた下型組み立て１１は、ダイプレート１
２、下型１３および移動ダイ１４からなっている。断熱
筒１０は、窒化珪素または炭化珪素などの耐熱材料およ
び高強度材料であるセラミックス材料からなる。

【００３０】固定軸２には、図示しない駆動装置によっ
て上下動するブラケット１５が、移動可能に結合されて
いる。ブラケット１５には、対をなす型組み立て４、１
１の周囲を囲むフランジ付石英透明ガラス管１６が取り
付けられている。ブラケット１５には、この石英ガラス
管１６とともに、石英ガラス管１６の周囲を囲む外筒１
８とが取り付けられている。外筒１８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２
１とを備え、型組み立て４、１１を加熱するようになっ
ている。さらに反射ミラー２１を冷却するための図示し
ない水冷パイプが設けられている。

【００３１】フランジ付透明石英ガラス管１６の上端
は、ブラケット１５に嵌め込まれたＯ−リングに気密当
接し、石英ガラス管１６の下端はプレート１ｂのＯ−リ
ングに気密当接している。また移動軸９は、移動軸９が
貫通している中間プレート１ａのＯ−リングに気密当接
している。これらの結果、型組み立て４、１１の周囲に
は、大気から遮断される成形室１７が形成されている。

【００３２】固定軸２、移動軸９およびブラケット１５
には、型組み立て４、１１を冷却し成形室１７内を不活
性ガス雰囲気にするための第１のガス供給路２２、２３
と、石英ガラス管１６、型組み立て４、１１の外周を冷
却するための第２のガス供給路２４、２５とが設けられ
ている。これらのガス供給路は、図示しない流量コント
ロール計を介して、不活性ガスを所定流量で成形室１７
へ供給するようになっている。成形室１７へ供給された
不活性ガスは、ガス排気バルブ３１を備えたガス排出路
２６から排気される。

【００３３】成形室１７の下部には真空排気口２７が設
けられている。真空排気口２７は、真空計３３、真空バ
ルブ３０、真空排気装置３２を備えた真空排気系に接続
している。また真空排気口２７には、必要に応じて、真
空排気速度を制御してスローブレイクするためのバタフ
ライバルブおよび多孔質材料などの抵抗体４０が配置さ
れている。真空排気装置３２は、成形室内を１０^-6ｔｏ
ｒｒ以下の高真空度に維持するメカニカルポンプ、ロー
タリーポンプ、ターボ分子ポンプ、拡散ポンプ、ゲッタ
ポンプ、スパッタイオンポンプおよびクライオポンプか
ら選択された一種または二種以上である。真空計３３に
より成形室１７内の圧力を検出し、この検出信号に基づ
いて、制御装置２９で真空排気装置３２を制御して所望
の高真空度となるようにしている。また制御装置２９
は、成形型の温度検出用熱電対２８（図では下型組み立
て１１の温度検出用）からの温度検出信号に基づいて、
赤外線ランプ２０を制御する。さらに制御装置２９は、
真空計３３からの圧力検出信号および／または温度検出
用熱電対２８からの温度検出信号に基づいて、真空バル
ブ３０および／または抵抗体４０を制御して、スローブ
レイクを実現する。なお図中、３４はガラス素材、３５
は上型ガス流路、３６は下型ガス流路である。

【００３４】図１に示すガラス素子成形装置において
は、所望の形状を具備した上下型６、１３間にガラス素
材３４を配置し、プレス成形により所望の厚さおよび形
状をガラス素材３４に転写し、所望のガラス素子を成形
する。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、石英ガラスのような成
形温度が約１４００℃と高いガラス素材を成形する際で
も、成形室内の圧力を管理しながら真空排気するため、
成形型の酸化を防止するとともに、効率良く成形型およ
びガラス素材を加熱することができる。また本発明によ
れば、成形室内を真空排気する際の温度変動を抑え、成
形型上のガラス素材の移動を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための装置の一例を示す概略
断面図。

【符号の説明】

１…フレーム１ａ…中間プレート１ｂ…プレート２…固定軸３…断熱筒４…上型組み立て５…ダイプレート６…上型７…固定ダイ８…駆動装置８ａ…サーボモータ８ｂ…荷重検出器９…移動軸１０…断熱筒１１…下型組み立て１２…ダイプレート１３…下型１４…移動ダイ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…第１のガス供給路２４、２５…第２のガス供給路２６…ガス排出路２７…真空排気口２８…温度検出用熱電対２９…制御装置３０…真空バルブ３１…ガス排気バルブ３２…真空排気装置３３…真空計３４…ガラス素材３５…上型ガス流路３６…下型ガス流路４０…抵抗体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松村修作静岡県沼津市大岡2068の３東芝機械株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】成形室内の一対の成形型間にガラス素材
を配置し、前記成形型およびガラス素材を加熱してガラ
ス素材をプレスすることによるガラス素子の成形方法で
あって、成形室内を真空排気する際にスローブレイクすることを
特徴とするガラス素子の成形方法。
【請求項２】成形室内を真空排気する際、成形室内の
温度を検出しながらバルブをコントロールすることによ
って、スローブレイクすることを特徴とする請求項１記
載のガラス素子成形方法。
【請求項３】成形室内を真空排気する際、成形室内の
圧力を検出しながらバルブをコントロールすることによ
って、スローブレイクすることを特徴とする請求項１に
記載のガラス素子成形方法。
【請求項４】成形室内を真空排気する際、排気路に抵
抗体を設けることによって、スローブレイクすることを
特徴とする請求項１に記載のガラス素子成形方法。
【請求項５】抵抗体が、バタフライバルブ、ゲートバ
ルブ、邪魔板、口径を絞った管、孔の空いた板、多孔質
体から選択されることを特徴とする請求項４に記載のガ
ラス素子の成形方法。
【請求項６】一対の成形型と、前記成形型およびガラ
ス素材を加熱する手段と、加熱されたガラス素材をプレ
スしてガラス素子を成形する手段と、前記成形型の周囲
を気密に取り込む成形室と、この成形室内を真空排気す
る真空排気手段とを備えたガラス素子の成形装置であっ
て、成形室の排気路に抵抗体を備えることを特徴とするガラ
ス素子の成形装置。
【請求項７】抵抗体が、バタフライバルブ、ゲートバ
ルブ、邪魔板、口径を絞った管、孔の空いた板、多孔質
体から選択されることを特徴とする請求項６に記載のガ
ラス素子の成形装置。