JP2005179084A - 誘導加熱成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、光学素子製品の加熱成形のために光学素子材料に接触する金型の成形部を重点的に加熱することによって、より迅速且つ効率的な温度制御が可能な誘導加熱成形装置を提供する。
【解決手段】 対向して用いられる上型と下型を共通の誘導コイルにより発生される磁束を用いて誘導加熱して光学素子材料を溶融加圧成形する誘導加熱成形装置において、第１の加熱器は磁束によって上型を第１の熱量で加熱し、第２の加熱器は前記磁束によって下型を第１の熱量より大きな第２の熱量で加熱する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、誘導電流によって加熱されて光学素子材料を所望の形状に成形させる金型に関し、さらに当該金型を用いた誘導加熱成形装置に関する。

レンズ等の光学素子製品は、加熱された上下の金型で光学素子材料を熱軟化させると共に加圧して所望の形状に成形して完成される。つまり、金型より伝えられる熱により軟化した光学素子材料を金型で加圧変形させて所望の形状に成形する。そして、成形後の冷却過程を経て、上下の金型から光学素子製品が取り出される。このように、光学素子製品の製造には、光学素子材料の加熱過程および加圧過程において、金型が深く関与している。なお、金型の加熱には、主に抵抗加熱方式（特許文献１、特許文献２）と誘導加熱方式（特許文献３）とが利用されている。

以下に先ず、図１９を参照して、従来の抵抗加熱方式による加圧成形について説明する。そして後に、図２０を参照して従来の誘導加熱方式による加圧成形について説明する。

図１９に示すように、抵抗加熱方式による加圧成形においては、それぞれ抵抗ヒータＲＨ１およびＲＨ２が設けられている上型Ｄ１と下型Ｄ２から成る一対の金型セットＤが用いられる。上型Ｄ１には、上抵抗ヒータＲＨ１の反対側に、光学素子材料ＯＭに接触して、上抵抗ヒータＲＨ１で発生された熱と共に加圧機（図示せず）から加えられた圧力を伝える上成形面ＦＳ１が設けられている。同様に、下型Ｄ２にも、光学素子材料ＯＭに接触して、下抵抗ヒータＲＨ２で発生された熱と共に、加圧機から加えられた圧力を伝える下成形面ＦＳ２が設けられている。上抵抗ヒータＲＨ１および下抵抗ヒータＲＨ２を纏めて抵抗ヒータＲＨと総称し、上成形面ＦＳ１および下成形面ＦＳ２を纏めて成形面ＦＳと総称する。なお、視認性を確保するために、図１９では、金型セットＤを初めとして各構成要素が誇張して表現されている。また、成形面ＦＳを示すために金型セットＤはその断面が模式的に示されている。

上述のように構成された上型Ｄ１と下型Ｄ２の上成形面ＦＳ１と下成形面ＦＳ２の間に充填された光学素子材料ＯＭに対して、上抵抗ヒータＲＨ１で発生された熱は上型Ｄ１のほぼ全体を伝導して上成形面ＦＳ１を介して伝えられる。同様に下抵抗ヒータＲＨ２で発生された熱は下型Ｄ２のほぼ全体を伝導して下成形面ＦＳ２を介して伝えられる。そして、抵抗ヒータＲＨで発生した熱によって軟化した光学素子材料ＯＭに対して、上型Ｄ１と下型Ｄ２が互いに接近する動作によって圧力が加えられて、光学素子材料ＯＭが所望の形状の光学素子製品として成形される。

成形された光学素子製品は、上型Ｄ１と下型Ｄ２を互いに遠ざかるように移動させて、金型セットＤから取り外される。光学素子材料ＯＭは金型セットＤに比べて熱伝導係数と熱膨張率は共に小さい、冷却時には光学素子製品は金型セットＤに固着し易い。しかしながら、取り外し時の安全を考えれば、光学素子製品が上型Ｄ１にではなく、下型Ｄ２に固着するほうが望ましい。つまり、光学素子製品が上型Ｄ１に固着して、上型Ｄ１と共に上昇した状態にあると、ユーザの意図しない瞬間に、上型Ｄ１から外れ落ちて破損してしまうことがある。このような事態を防ぐには、上型Ｄ１を上方に移動させる際には、光学素子材料を下型Ｄ２に残すようにする。

光学素子製品が下型Ｄ２に残るようにするためには、光学素子材料ＯＭより金型のほうが膨張率が大きいことを利用して、上成形面ＦＳ１を下成形面ＦＳ２より高温になるように温度制御する。金型セットＤの加熱は、抵抗ヒータＲＨを用いているので、温度制御は容易に行える。

図２０に示すように、従来の誘導加熱方式においても、抵抗加熱方式と同様に、それぞれ上成形面ＦＳ１を有する上型４ａと、下成形面ＦＳ２を有する下型４ｂから成る一対の金型セット４が用いられる。上型４ａは上誘導コイル３ａで誘導加熱され、下型４ｂは下誘導コイル３ｂによって誘導加熱される。そして、誘導加熱された金型セット４の熱が成形面ＦＳを介して光学素子材料ＯＭ（図示せず）を加熱する。つまり、光学素子材料ＯＭの温度は、金型セット４の温度を制御することで実現される。このために、金型セット４は、誘導加熱により加熱され易いように、磁性体材料が用いられる。

金型セット４を誘導加熱するための電力を供給するインバータ１１、上変圧器２ａ、下変圧器２ｂ、光学素子材料ＯＭを金型セット４内に挿入したり、加圧成形したり、成形後に取り出したりするため、上型４ａおよび下型４ｂのそれぞれを移動させる上型アクチュエータ６ａおよび下型アクチュエータ６ｂが備えられる。上変圧器２ａおよび下変圧器２ｂは、それぞれ、インバータ１１から供給される加熱電力を上誘導コイル３ａおよび下誘導コイル３ｂに適した電圧に変換する。さらに、所望の成形プロセスを実現させるために、金型セット４の温度を制御する温度制御装置８とから成る。

そして光学素子製品を金型セット４から取り外す際の離型性を向上させるためには、上型４ａおよび下型４ｂと、光学素子製品との熱膨張をコントロールする必要がある。そして、上型４ａおよび下型４ｂの温度を独立に温度調整する必要がある。しかしながら、磁束が同一軸上にある上誘導コイル３ａおよび下誘導コイル３ｂのそれぞれで、上型４ａおよび下型４ｂを別々に加熱する構成において、２つの誘導コイル（３ａ、３ｂ）のそれぞれにインバータ回路（駆動回路）を別々に配備する場合は、一方が駆動、他方が未駆動時、誘導結合により未駆動回路に誘導起電力がかかる。そして、この誘導起電力は、消費できずに、駆動素子などの回路素子を破損させてしまうことがある。このような事態を防止する手段として、２つの誘導コイル（３ａ、３ｂ）と１つのインバータ１１の間に上切替スイッチ７ａおよび下切替スイッチ７ｂを用いて切り替えて接続している。
特開２００２−１５４８３１号公報 特開２００２−４７０１６号公報 特開平４−５８４９１号公報

図１９に示すように、上述の抵抗加熱方式においては、抵抗ヒータＲＨは、金型セットＤの成形面ＦＳの反対側に設置される。よって、光学素子材料ＯＭの加熱に使用されるべき抵抗ヒータＲＨの熱は、最初に、金型セットＤの成形面ＦＳより最遠部の加熱に使用される。そして、抵抗ヒータＲＨの熱が金型セットの端部から順番に成形面ＦＳ側に伝導して、成形面ＦＳが所定の温度に到達した時点以降に、初めて光学素子材料ＯＭを所望の温度まで昇温させることができる。

つまり、本来の加熱対象である光学素子材料ＯＭのみの昇温に必要とされる熱量の数倍の熱量が金型セットＤの昇温に使用される。光学素子材料ＯＭの加熱に要するエネルギーの消費効率が悪い。また、金型セットＤの熱容量は、光学素子材料ＯＭの熱容量に比べて遙かに大きいために、光学素子材料ＯＭを昇温或いは降温させる前に金型セットＤを昇温或いは降温させる必要がある。結果、抵抗ヒータＲＨを制御して、光学素子材料ＯＭの温度管理をしようとしても、抵抗ヒータＲＨと光学素子材料ＯＭの温度変化の間に生じる大幅な時間差によって、光学素子材料ＯＭの精密な温度制御は非常に困難である。このような、抵抗ヒータＲＨによる発熱の変化と金型セットＤ、特に成形面ＦＳ部における温度変化の時間差を金型の熱ヒステリシスと呼ぶ。

図１９に例示した抵抗加熱方式においても、抵抗ヒータＲＨと成形面ＦＳの距離を小さくすれば、抵抗ヒータＲＨと光学素子材料ＯＭの温度変化の時間差を小さくできると共に、エネルギー消費効率も改善できることは明らかである。しかしながら、成形面ＦＳの均質な昇温の観点からは、抵抗ヒータＲＨは成形面ＦＳの反対側に取り付けることが望ましい。また、抵抗ヒータＲＨで成形面ＦＳを形成すれば時間差はほぼ解消できる。しかしながら、消耗し易い電熱線等の抵抗ヒータＲＨを直接光学素子材料ＯＭに接触させることになり、光学素子材料ＯＭの不均等加熱や異物混入或いは変質による品質劣化を招く。また、光学素子材料ＯＭと直に接触することによって、抵抗ヒータＲＨの寿命も短くなる。さらに、抵抗ヒータＲＨを成形面ＦＳと一体的に構成することにより、抵抗ヒータＲＨの交換も複雑になる。

一方、図２０に例示した誘導加熱方式（特許文献３）においては、上誘導コイル３ａおよび上誘導コイル３ｂはそれぞれ上型４ａおよび下型４ｂの外周に巻回されている。このため、成形面ＦＳを直接的に加熱することはできずに、金型セット４全体の加熱の結果として、成形面ＦＳも加熱される。つまり、上述の抵抗加熱方式の場合と同様に、金型の熱ヒステリシスは大きい。よって、金型セット４全体の加熱に要する無駄な消費エネルギーが大きく、迅速な温度制御はできない。

よって、本発明は、光学素子製品の加熱成形のために光学素子材料に接触する金型の成形部を重点的に加熱することによって、より迅速且つ効率的な温度制御が可能な誘導加熱成形装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は互いに対向して用いられる第１の成形型と第２の成形型を共通の誘導コイルにより発生される磁束を用いて誘導加熱し、当該第１および第２の成形型内に挿入された光学素子材料を溶融加圧成形する誘導加熱成形装置であって、前記磁束によって、前記第１の成形型を第１の熱量で加熱する第１の加熱手段と、前記磁束によって、前記第２の成形型を前記第１の熱量より小さな第２の熱量で加熱する第２の加熱手段とを備える。

上述にように、本発明にかかる誘導加熱装置においては、加熱成形装置により加えられる熱と圧力を光学素子材料に直接接触して伝達する金型の成形部分若しくはその近傍を特定的に加熱することによって、光学素子材料を効率良く加熱できると共に、迅速な温度制御ができる。

（第１の実施形態）
以下に、図１、図２、図３、図４，図５、図６、図７、図８、図９及び図１０を参照して、第１の実施形態にかかる誘導加熱成形装置について説明する。

図1に示すように、本実施形態にかかる誘導加熱成形装置ＦＡは、光学素子材料ＯＭ（図示せず）を所望の形状に成形させるための上型１４ａおよび下型１４ｂから成る一対の金型セット１４を備える。上型１４ａおよび下型１４ｂの周囲には、それぞれ上誘導コイル１３ａおよび下誘導コイル１３ｂが配されている。なお、上誘導コイル１３ａと下誘導コイル１３ｂは直列に接続されて、誘導コイルユニット１３を構成している。

誘導電力を供給するインバータ１１が変圧器１２を介して誘導コイルユニット１３に接続されている。さらに光学素子材料ＯＭ（図示せず）を金型セット１４内に挿入したり、加圧成形したり、成形後に取り出したりするため、上型１４ａおよび下型１４ｂのそれぞれを上下方向に移動させる上型アクチュエータ１９ａおよび下型アクチュエータ１９ｂから成るアクチュエータユニット１９が備えられる。さらに、所望の成形プロセスを実現させるために、インバータ１１、金型セット１４およびアクチュエータユニット１９の動作を制御する制御器１７が設けられている。

なお、上型１４ａには、従来の成形装置における上成形面ＦＳ１の代わりに、上発熱成形体ＦＨ１が設けられている。上発熱成形体ＦＨ１は上誘導コイル１３ａより供給される誘導電流により直接発熱する。この熱は、上発熱成形体ＦＨ１に接触している光学素子材料ＯＭに直接伝えられる。同様に、下誘導コイル１３ｂには、従来の下成形面ＦＳ２の代わりに下発熱成形体ＦＨ２が設けられている。なお、上発熱成形体ＦＨ１と下発熱成形体ＦＨ２とで、金型セット１４における発熱成形体ＦＨを構成している。

このように構成することによって、本発明においては、金型セット１４の全体が抵抗加熱或いは誘導加熱されるのでなく、光学素子材料ＯＭと接触して直接熱を伝える発熱成形体ＦＨが誘導加熱される。そのために、従来の金型セット１４が磁性体で構成されるのとは違い、金型セット１４はセラミックなどの誘導電流を受けて発熱しない非磁性体の材質で構成される。

一方、発熱成形体ＦＨは、誘導コイルユニット１３から供給される誘導電流を効率よく熱に変換できる磁性体の材質の内で、光学素子材料ＯＭの加熱温度との関係で適切なものが選ばれる。例えば、光学素子材料ＯＭがガラス素材の場合、６００℃に加熱するため、誘導加熱しやすい磁性材料、例えばステンレスＳＵＳ４１０やＮｉＡｌが発熱成形体ＦＨの材質として選ばれる。このように適切に選ばれた磁性体材質が、セラミックなどで構成された金型セット１４における、従来の金型セットの成形面ＦＳに相当する部分に溶射されて所定の厚さＬを有する発熱成形体ＦＨが構成される。

図２および図３に示すように、発熱成形体ＦＨの厚みＬは、本例においては、上発熱成形体ＦＨ１ではＬ１＝１ｍｍ、下発熱成形体ＦＨ２ではＬ２＝２ｍｍと設定されている。発熱成形体ＦＨの厚みＬの決定方法については、後ほど図４、図５、図６及び図７を参照して詳述する。

本発明においては、金型の特定部分、つまり光学素子材料ＯＭと接触する成形面ＦＳに相当する部分を選択的に表層的に加熱することによって、金型を熱ヒステリシス及び消費エネルギーを低減すると共に、成形部の迅速な温度制御を可能としている。

本誘導加熱成形装置ＦＡにおける、光学素子製品の製造方法について簡単に説明する。光学素子材料ＯＭを金型セット１４に充填する時には、アクチュエータユニット１９を駆動させて、上型１４ａと下型１４ｂとを離間させて、その間に光学素子材料ＯＭを充填できる程度の空間を生じさせる。この離間間隔は、例えば直径１０ｍｍ程度のガラス球を成形する場合には、上型１４ａと下型１４ｂとの最短距離が３０ｍｍ程度でよい。

光学素子材料ＯＭとしてガラス球を充填した後に、上型１４ａと下型１４ｂとの間隔を狭めていく。間隔を狭めるときは、上型１４ａ、下型１４ｂのいずれか一方の位置を固定させた状態で、他方の型をガラス球と当接するまで移動させ、一定の荷重、例えば２０ｋｇｆ程度を金型セット１４にかけた状態で、発熱成形体ＦＨを誘導加熱する。発熱成形体ＦＨで発生した熱により、ガラス球（光学素子材料ＯＭ）が加熱軟化される。

加熱軟化、つまり溶融されて弾性を持った光学素子材料ＯＭは、アクチュエータユニット１９により加えられる３５０ｋｇｆ程度での圧力によって加圧変形される。さらに、光学素子材料ＯＭに光学素子製品の形状を転写させるため、金型セット１４を５５０℃程度まで降下させると同時に、成形のための押圧荷重を５０ｋｇｆ程度に減圧させて、光学素子製品として成形する。

このような一連の成形プロセスにより成形された光学素子製品は、アクチュエータユニット１９によって、上型１４ａと下型１４ｂとの間隔を広げ、金型セット１４から取り出される。この際に、一定の手順で離型させることで作業性を高め、金型から成型品を安全に取り出すため、光学素子製品を先ず上型１４ａから離型させ、次に下型１４ｂを離型させる。このためには、例えば下発熱成形体ＦＨ２の温度Ｔ２（以降、「下型温度Ｔ２」と称する）を、上発熱成形体ＦＨ１の温度Ｔ１（以降、「上型温度Ｔ１」と称する）より１００℃程度高く維持した状態で、発熱成形体ＦＨの温度降下を制御する。

例えば、上型温度Ｔ１が４５０℃、下型温度Ｔ２が５５０℃になった時点で、アクチュエータ２０ａを駆動して上型１４ａを上側に移動させて、光学素子材料を離型させる。上型１４ａを離型させたのち、下型温度Ｔ２を常温近傍まで下降させ、下型１４ｂから光学素子製品を取り出す。

次に、図４〜図７を参照して、発熱成形体ＦＨの厚さＬの決定方法について説明する。なお、本発明において金型セット１４は上型１４ａおよび下型１４ｂを代表し、誘導コイルユニット１３は上誘導コイル１３ａおよび下誘導コイル１３ｂを代表し、発熱成形体ＦＨは上発熱成形体ＦＨ１および下発熱成形体ＦＨ２を代表している。また、以下の式において、Ｌ１およびＬ２は上発熱成形体ＦＨ１および下発熱成形体ＦＨ２のそれぞれの取り得る値を示している。

金型セット１４の周囲に設けられた、誘導コイルユニット１３に高周波電力、例えば２３ｋＨｚが投入されたとき、誘導コイル１３の内部に発生した磁束が、発熱成形体ＦＨを貫通することで発熱成形体ＦＨの内部に誘導電流が流れる。そして、発熱成形体ＦＨを構成する誘導発熱材料の電気抵抗によるジュール熱によって誘導加熱される。なお、発熱成形体ＦＨの表面からの深さｘの位置での誘導電流の密度Ｉ（ｘ）は、次式（１）によって与えられる。
（数１）
Ｉ（ｘ）＝Ｉ０×ｅ＾（−ｘ）・・・・（１）

図４において、横軸は深さ（ｘ）を示し、縦軸は深さ（ｘ）における誘導電流密度Ｉ（ｘ）を示している。さらに、表面から所定の深さ（ｘ）までの誘導発熱材料によって誘導発熱される発熱量Ｑ（ｘ）は、電流密度Ｉ（ｘ）の深さｘによる積分値として求めることができる。すなわち、発熱量（ｘ）は、図４に示す曲線の面積（ｘ＝０からｘまで）として求められる。

図５に、浸透深さ（ｘ）と発熱量（ｘ）との関係を示す。加熱材料に生じる誘導電流密度Ｉ（ｘ）は、深さｘが増加すればするほど減少し、ある一定の深さδを超えるとほぼゼロに近づき、それ以上は深さｘを増しても誘導電流が流れなくなる。この現象は表皮効果として知られている。表皮効果の結果として、深さδを超えると発熱量Ｑ（ｘ）は表面からの深さｘに関わらず、一定となる。この一定となる時の表面からの深さは浸透深さδと定義されており、次式（２）により表される。なお、μは比透磁率、ρは抵抗率、ｆはインバータ周波数であり、そして、Ｋは定数である。
（数２）
δ＝Ｋ×√（ρ／μｆ）・・・・（２）

本発明における発熱成形体ＦＨの厚みＬは、この浸透深さδに基づいて決定される。つまり、発熱成形体ＦＨの溶射厚みＬによって上下の金型を温度制御しているため、この厚みＬを決定することは重要である。上下型の温度制御のためにＬ１＜δ、Ｌ１＜Ｌ２の関係にあることが必要である。さらにＬ２＜δであることが好ましい。なぜならば、δ＜Ｌ２となるように必要以上に厚く溶射しても、発熱量Ｑは一定であるため、発熱成形体ＦＨとして無駄に体積が大きくなり、エネルギー効率あるいは温度調節の効率の悪化を招く。

つまり、図５に示すように、厚みＬ１の発熱量Ｑ（Ｌ１）と、厚みＬ２の発熱量Ｑ（Ｌ２）との差の結果、上発熱成形体ＦＨ１と下発熱成形体ＦＨ２とにおいて温度差が生じる。よって、Ｌ１＜Ｌ２の関係にあればよい。図６に示す曲線（ｘ＝０からｘ＝Ｌ１まで）の積分値、すなわち図６の斜線部分の面積が、発熱量Ｑ（Ｌ１）である。また、図７に示す曲線（ｘ＝０からｘ＝Ｌ２まで）の積分値、すなわち図７の斜線部分の面積が、発熱量Ｑ（Ｌ２）である。

例えば、発熱成形体ＦＨの材質がＳＵＳ４１０であるときは、δ＝０．８ｍｍである。なお、浸透深さδは、材質によって異なる。この時、例えば溶射厚みをＬ１＝０．６ｍｍおよびＬ２＝１．０ｍｍとすれば、２３ＫＨｚで８００Ｗの交流電力投入時の上発熱成形体ＦＨ１の発熱量Ｑ（Ｌ１）と下発熱成形体ＦＨ２の発熱量Ｑ（Ｌ２）との差の結果、上発熱成形体ＦＨ１での上型温度Ｔ１と下発熱成形体ＦＨ２での下型温度Ｔ２の温度差は約１００℃程度となることが知られている。

次に、金型セット１４の温度制御について簡単に説明する。上型温度Ｔ１は、上型１４ａ内に挿入された上型温度計測器１８ａ（図示せず）によって、上発熱成形体ＦＨ１の温度が測定されて実測上型温度Ｔ１ｍとして制御器１７に出力される。同様に、下型温度Ｔ２は、下型１４ｂ内に挿入された下型温度計測器１８ｂ（図示せず）によって、下発熱成形体ＦＨ２の温度が測定されて実測下型温度Ｔ２ｍとして制御器１７に出力される。制御器１７は、制御の目標として予め設定された目標上型温度Ｔ１ｔおよび目標下型温度Ｔ２ｔと、実測上型温度Ｔ１ｍおよび実測下型温度Ｔ２ｍに基づいて、一般的に知られるＰＩＤ制御方式を用いて必要とされる操作量Ｖｏを算出する。算出された操作量Ｖｏをインバータ出力電力調節用の外部入力手段に入力することで、目標温度への温度追従制御を実現する。上型温度Ｔ１を下型温度Ｔ２と比べて（相対的に）低くし、取り外し時に光学素子製品を下型１４ｂ側に固着させるほうが望ましいことは上述の通りである。成形材料の溶融時は上型温度Ｔ１で温度制御し、相対的に温度が低い方の温度を溶融温度以上に制御すれば、温度が高い方の下型１４ｂも溶融している。また、温度を降下させ型形状を材料に転写させる場合は、相対的に温度が高い下型温度Ｔ２で温度制御する。

図１の金型セット１４の発熱成形体ＦＨは、光学素子材料ＯＭと接触する成形面ＦＳに設けられている。しかし、上発熱成形体ＦＨ１および下発熱成形体ＦＨ２は、図８に金型セットの断面図に示すように、金型セット１４’の上型１４ａ’および下型１４ｂ’のそれぞれの外周側面に設けても良い。同図においては、光学素子材料ＯＭと接触する成形面ＦＳ’はセラミックなどで構成された金型であるため、光学素子材料ＯＭに発熱成形体ＦＨ’からの不純物が混入することはない。なお、図９および図１０に、図８に示した上型１４ａ’および下型１４ｂ’をそれぞれ上成形面ＦＳ１’および下成形面ＦＳ２’から見た斜視図を示す。

上述のように、本発明の第１の実施形態にかかる誘導加熱成形装置ＦＡにおいては、金型セット１４の成形面ＦＳに磁性体を溶射して生成する発熱成形体ＦＨを設けている。そして、この磁性体の溶射厚みＬを浸透深さδを基準に適宜設定することで、誘導コイルによって供給される誘導電流の利用効率を上型１４ａと下型１４ｂとの間で異なるように設定する。結果、上型１４ａと下型１４ｂの間で温度差をつけることが可能となる。また、インバータの負荷回路の共振点を外れずに、一定の周波数で加熱でき高効率運転ができる。

上述のように、第１の実施形態にかかる誘導加熱成形装置ＦＡにおいては、発熱成形体ＦＨの溶射厚みＬを適宜設定することによって、上型１４ａおよび下型１４ｂに供給される誘導電流の受容量を変化されることで利用効率を異なるように構成している。結果、上型１４ａと下型１４ｂとの温度制御を可能としている。しかしながら、発熱成形体ＦＨの溶射厚みＬ以外にも、上型と下型での誘導コイルの利用効率を変化させる方法について以下に例示する。

（第２の実施形態）
本実施形態においては、誘導コイルから供給された磁束を受けて発生する渦電流の発生を抑制することによって、誘導電流の受容量を変化させるものである。具体的には、図１１に示すように本発明における金型セット１４＿１においては、上型１４ａ＿１の成形面ＦＨ２＿１と反対側の面が格子形状の凸凹となるような凹凸部Ｇ１が構成されている。これは、誘導コイルユニット１３により発生する磁束により発生する渦電流の発生を妨害することによって、下型１４ｂ＿１での発熱量が上型１４ａ＿１での発熱量より大きくなるように構成したものである。つまり、渦電流は金型の表面を同心円状に流れる。この渦電流により、ジュール熱が発生し、金型の温度は上昇する。離型の際、成型品が落下するのを防止するため、上型の温度より下型の温度の方が高く制御するには、上型に発生する渦電流を減少させる必要である。

この目的のためには、下型１４ｂ＿１の成形面と反対側の面は平滑面であるのに対し、上型１４ａ＿１の成形面と反対側の面には、図１１、図１２、図１３，及び図１４に示すような渦電流を遮る形状が施されている。例えば、上型の表面に図１２に示すような切り抜きの入ったドーナツ形状である切り抜き部Ｇ２を設けることにより、円心円状に流れる渦電流を遮断することができる。また、上型の表面に図１３や図１４に示すような格子形状の凹凸部Ｇ１ａ、Ｇ１ｂを施すことにより、表面積が小片部分に分割され連続平面が少ないため、渦電流をより抑制することができる。これらの形状にすることにより金型を温度制御することができる。

ドーナツ形状の切り抜き部Ｇ２の溝の深さ及び格子形状の微小な凹凸部Ｇ１の凹凸刻み深さは、浸透深さδより大きいことが望ましい。何故なら、誘導電流は浸透深さ以上には殆ど流れないため、浸透深さ以上に深い溝が形成されていると、一つの磁束に直交する同心円状に流れる誘導電流が微小単位で区切られた部分以上に広がらず、渦電流が抑制され、発熱量が減るため、上下の金型に温度差を付けることができるためである。

上述のように、磁束貫通により発生する誘導電流である渦電流は、磁束に垂直な面内に同心円状に流れるため、磁束に垂直な表面の形状に凹凸部Ｇ１あるいは切り抜き部Ｇ２を設けることで相対的に表面積が小さくなり渦電流の発生量が小さくなることを活用し、温度を制御したい方の型を所望の温度にした状態で、他方の型との温度差をつけることが可能となる。

（第３の実施形態）
本実施形態においては、誘導コイルで発生した誘導電流が下型１４ｂに到達する量を制限することによって、上型１４ａと下型１４ｂとの間で発熱量に差を設けている。つまり、誘導コイルと上型１４ｂとの間に磁束を遮る遮蔽板２１を挿入する。なお、遮蔽板２１は、アクチュエータ２０によってその位置が変えられることによって、磁束の遮蔽量を調整できるように構成されている。また、遮蔽板２１の材料としては、銅、真ちゅうなどの非磁性体を用いることができる。

このように、本実施形態においては、温度を相対的に下げたい側の型と誘導コイルの間に、磁束を遮断する遮蔽材２１を挿入することにより加熱材料を貫通する磁束量を低減して、加熱体の発熱量を低下させ、さらに温度を下げることが可能である。

（第４の実施形態）
上述の第１の実施形態、第２の実施形態、および第３の実施形態においては、誘導コイルユニット１３から供給される磁束に対する受容量を異なるように設定していた。しかしながら、本実施形態においては、磁束に対する受容量を変化させるのではなく、発熱部を金型セット１４の外部に設け、さらにこの外部の発熱部から発生する輻射熱として成形面ＦＳ部に焦点を結ばせて加熱する方法である。焦点の結ばせ方を所望に設定することによって、金型セット１４の任意部分を重点的に加熱できる。

具体的には、図１６に示すように、反射面は円弧状の断面を有する誘導加熱材２２＿１によって、誘導コイルユニット１３から供給される磁束が熱に変換される。そして、円弧状のしている誘導加熱材２２＿１の表面から放射される輻射熱が金型セット１４の成形面ＦＳ上で焦点が結ばれる。

また、図１７における誘導加熱材２２＿２は、下型１４ｂの全体を覆うように、内部が中空の直方体形状に構成されている。金型セット１４の成形面ＦＳに対して、誘導加熱材２２＿２の内表面から輻射熱が放射される。

上述のように、温度を相対的に上げたい側の下型と誘導コイルの間に、磁性体を挿入することにより、加熱体の発熱量を減らすことなく、挿入された磁性体の発熱による輻射熱で間接的に金型の温度を上げることを活用し、温度を制御したい方の型を所望の温度に温度コントロールした状態で、他方の型との温度差をつけることが可能となる。

結果、光学素子材料ＯＭの加熱成形時に上型と下型における温度を個別に制御できる。特に、成型品を金型から取り外す際に、成型品の落下破損を防止するために、この温度制御が重要となる。以下に、図１８を参照して、本発明にかかる誘導加熱成形方法について具体的に説明する。

図１８に、加熱成形して光学製品を作製する光学素子材料ＯＭの熱成形プロセスを示す。同図において、縦軸Ｔは金型セット１４の温度を示し、縦軸ｄは光学素子材料ＯＭと金型セット１４の成形面ＦＳとの離間距離を示し、横軸ｔは成形プロセスにおける各時刻を示す。さらに、実線Ｌａは上型温度Ｔ１を示し、二点鎖線Ｌｂは下型温度Ｔ２を示し、実線Ｌｇは加熱距離ｄを示している。なお、加熱距離ｄは、現実には上型１４ａの上成形面ＦＳ１と光学素子材料ＯＭとの上面との間隔に相当する。

図１８に示すように、光学製品は、溶融ステップＳ１、成形ステップＳ２、転写ステップＳ３、上型離型ステップＳ４、上下型分離ステップＳ５、ひずみ除去ステップＳ６、下型離型ステップＳ７、取り出しステップＳ８の８つのステップを経て完成される。なお、溶融ステップＳ１に先だって、光学素子材料ＯＭは金型セット１４の内部に以下の要領にて載置される。先ず、上型アクチュエータ１９ａおよび下型アクチュエータ１９ｂによって上型１４ａと下型１４ｂとの間隔を光学素子材料ＯＭが挿入できる程度に広げておく。この間隔は、例えば直径１０ｍｍ程度のガラス球（光学製品）を成形する場合は３０ｍｍ程度でよく、作製する光学製品の大きさに応じて適宜決めることができる。この場合、上成形面ＦＳ１と下成形面ＦＳ２の曲率にもよるが、加熱距離ｄは２０ｍｍ（３０−１０ｍｍ）以上である。
次に光学素子材料ＯＭが上型１４ａと下型１４ｂに間に挿入される。この場合は、光学素子材料ＯＭは上型１４ａの上成形面ＦＳ１とは接触しておらず、また下型１４ｂに下成形面ＦＳ２上に部分接触状態で載置される。

溶融ステップＳ１において、光学素子材料ＯＭが挿入された上型１４ａ及び下型１４ｂがそれぞれ５８０℃、５６０℃程度に個別に誘導加熱される。上述のように、光学素子材料ＯＭは上型１４ａの上成形面ＦＳ１とは非接触であり、下型１４ｂの下成形面ＦＳ２とは部分接触である。よって、上型１４ａの熱は輻射によって光学素子材料ＯＭに供給され、下型１４ｂの熱は点接触部分からの直接伝導と共に輻射によって供給される。このように、光学素子材料ＯＭは主に金型セット１４からの輻射熱（一部伝導熱）によって全体が同時に加熱されるので、光学素子材料ＯＭが上成形面ＦＳ１および下成形面ＦＳ２に接触させた状態で、主に金型セット１４からの伝導熱（一部輻射熱）によって部分的に加熱される場合に比べて、遙かに均一に加熱される。結果、光学素子材料ＯＭは、部分加熱の際に生じる成分比変動や歪み発生を大幅に低減でき、より均質に熱軟化される。つまり、加熱の最終段階において、光学素子材料ＯＭに熱軟化していない部分が残ってしまう事態を防止できる。より均質な加熱の観点から、光学素子材料ＯＭは下型１４ｂと非接触であることがあることが望ましい事は言うまでもない。しかしながら、現実的には、光接触面積が出来るだけ小さく、点接触に近づくような形状に光学素子材料ＯＭを準備すればよい。

成形ステップＳ２においては、下型温度Ｔ２（Ｌｂ）を維持した状態で、上型アクチュエータ１９ａおよび下型アクチュエータ１９ｂによって上型１４ａおよび下型１４ｂは互いに接近させられる。結果、熱軟化された光学素子材料ＯＭが上成形面ＦＳ１および下成形面ＦＳ２に倣って変形して、光学製品の形状に成形される。この際、光学素子材料ＯＭには大凡３５０ｋｇｆの圧力（押圧荷重）が印可される。また、上型１４ａおよび下型１４ｂの双方、或いはいずれか一方を移動させても良いが、好ましくは成型時の光学素子材料ＯＭの安定のためには下型１４ｂの位置を固定した状態で上型１４ａを移動させる。

転写ステップＳ３においては、上型温度Ｔ１及び下型温度Ｔ２が５６０℃から５５０℃程度まで降下される共に、押圧荷重を３５０ｋｇｆ程度から５０ｋｇｆ程度まで減少される。型温度（Ｔ１、Ｔ２）の降下につれて、光学素子材料ＯＭの温度も降下することにより、熱軟化状態から通常の剛体状態に変化する。よって、押圧荷重の変化にも関わらず、加熱距離ｄは概ね変化しない。結果、光学素子材料ＯＭが上成形面ＦＳ１および下成形面ＦＳ２の形状に完全に変形されて、光学製品の外形状が転写される。なお、本ステップにおいて得られる光学素子材料ＯＭを、以降必要に応じて転写成型品ＯＭと呼ぶ。

また、加熱距離ｄにおいて上型１４ａ、および下型１４ｂを加熱する際にガラス球を均一に、かつ、高速に加熱するため、型温度上昇よりガラス球温度上昇が遅れることが想定される。そこで、上下型それぞれにおいて、ＰＩＤ制御方式などを用いて、目標温度よりもオーパーシュートして制御することも可能である。さらに、型とガラス球との距離に応じて、型温度を変化させ、ガラス球の温度を一定に保つように制御することも可能である。

上型離型ステップＳ４においては、下型温度Ｔ２を５５０℃が維持されて状態で上型温度Ｔ１が５５０℃から４５０℃まで降下される。金型と光学素子材料ＯＭとの熱膨張率の違いにより、転写成型品ＯＭは上型１４ａから離反する。

上下型分離ステップＳ５においては、上型温度Ｔ１が４５０℃、下型温度Ｔ２が５５０℃に制御した状態で、転写成型品を取り出せるように上型１４ａと下型１４ｂとの間隔が広げられる。

ひずみ除去ステップＳ６においては、上下型の間隔（ｄ）および上下型の温度（Ｔ１、Ｔ２）を一定に保った状態で一定期間（t₅〜ｔ₆）保持される。結果、成形ステップＳ２および転写ステップＳ３において、転写成型品ＯＭの内部に生じた歪みが除去される。

下型離型ステップＳ７においては、下型温度Ｔ２を５５０℃から常温ＲＴ近傍まで下降される。金型セット１４と光学素子材料ＯＭとの熱膨張率の違いにより、転写成型品ＯＭは下型１４ｂから離反される。その際、上型温度Ｔ１も４５０℃から常温ＲＴ近傍まで下降される。結果、光学製品が完成する。

取り出しステップＳ８においては、光学製品が上型１４ａおよび下型１４ｂのいずれにも固着することなく、下成形面ＦＳ２上に安定的に載置された状態にある。よって、金型から成型品を取り出すことができる。

上述の温度制御は以下の如く実現される。つまり、上金型温度Ｔ１および下金型温度Ｔ２は、それぞれに挿入された上型温度計測手段１８ａおよび下型温度計測手段１８ｂによって測定されて、制御装置１７に入力される。制御装置１７にて設定された目標となる温度と上型１４ａおよび下型１４ｂの測定温度をもとに、一般的に知られるＰＩＤ制御方式などの制御方式を用いて所望の操作量を算出し、算出された操作量をインバータ出力電力調整用の外部入力手段に入力することで、目標温度への温度追従制御を上下個別に実現している。

光学素子材料を誘導加熱により加熱成形するに際し、成形部を重点的に誘導加熱することによって、より迅速且つ効率的な温度制御が可能な誘導加熱成形装置等として有用である。

本発明の第１の実施例の誘導加熱成形装置の構成ブロック図 図１に示した上型の上発熱成形体の形態を示す斜視図 図１に示した下型の下発熱成形体の形態を示す斜視図 図１に示した発熱成形体の溶射厚みと誘導電流密度の関係を示す図 図１に示した発熱成形体における、溶射厚みと発熱量の関係を示す図 図１に示した上発熱成形体における発熱量を示す図 図１に示した下発熱成形体における発熱量を示す図 図１に示した金型セットの発熱成形体とは異なる形態を示す断面図 図８に示した上型の上発熱成形体の形態を示す斜視図 図８に示した下型の下発熱成形体の形態を示す斜視図 本発明の第２の実施形態にかかる金型セットの説明図 図１１に示した金型セットにおける渦電流抑制方法の説明図 図１２に示したのとは異なる、金型セットにおける渦電流抑制方法の説明図 図１２および図１３に示したのとは異なる、金型セットにおける渦電流抑制方法の説明図 本発明の第３の実施形態にかかる金型セットと磁束遮蔽板との説明図 本発明の第４の実施形態にかかる金型セットと誘導加熱材との説明図 図１６に示したのとは異なる誘導加熱材の説明図 誘導加熱成形工程を示すタイムチャート 従来の抵抗加熱方式による加圧成形の説明図 従来の誘導加熱方式による加圧成形の説明図

符号の説明

ＦＡ 誘導加熱成形装置
１１ インバータ
１２ 絶縁トランス
１３ 誘導コイルユニット
１３ａ 上誘導コイル
１３ｂ 下誘導コイル
１４、１４’、１４＿１ 金型セット
１４ａ、１４ａ’、１４ａ＿１ 上型
１４ｂ、１４ｂ’、１４ｂ＿１ 下型
ＦＨ、ＦＨ’ 発熱成形体
ＦＨ１、ＦＨ１’ 上発熱成形体
ＦＨ２、ＦＨ２’ 下発熱成形体
ＦＳ、ＦＳ’ 成形面
ＦＳ１、ＦＳ１’ 上成形面
ＦＳ２、ＦＳ２’ 下成形面
１６ コンデンサ
１７ 制御器
１９ アクチュエータユニット
１９ａ 上型アクチュエータ
１９ｂ 下型アクチュエータ
２０ アクチュエータ
２１ 遮蔽板
２２＿１、２２＿２ 誘導加熱材

Claims (11)

1. 互いに対向して用いられる第１の成形型と第２の成形型を共通の誘導コイルにより発生される磁束を用いて誘導加熱し、当該第１および第２の成形型内に挿入された光学素子材料を溶融加圧成形する誘導加熱成形装置であって、
   前記磁束によって、前記第１の成形型を第１の熱量で加熱する第１の加熱手段と、
   前記磁束によって、前記第２の成形型を前記第１の熱量より大きな第２の熱量で加熱する第２の加熱手段とを備える誘導加熱成形装置。
2. 前記第１の加熱手段は、前記第１の成形型において前記光学素子材料に接触する面に磁性体を第１の厚さに溶射または接続固定して生成される第１の発熱成形体であり、
   前記第２の加熱手段は、前記第２の成形型において前記光学素子材料に接触する面に磁性体を、前記第１の厚さより厚い第２の厚さに溶射または接続固定して生成される第２の発熱成形体である、請求項１に記載の誘導加熱成形装置。
3. 前記第２の加熱手段は、前記第２の成形型と前記誘導コイルとの間に当該第１の成形型を覆うように設けられる磁性体で構成される誘導加熱手段であって、前記磁束を受けて熱を発生する外面部と、当該発生した熱を当該第２の成形型における前記光学材料の接触面に対して輻射する内面部を有する、請求項１に記載の誘導加熱成形装置。
4. 前記第２の加熱手段は、前記誘導加熱手段を動かせて、前記接触面に輻射される熱量を変化させる輻射熱量調整手段を備える請求項３に記載の誘導加熱成形装置。
5. 前記第１の加熱手段は、前記第１の成形型の表面に設けられる凹凸部である請求項１に記載の誘導加熱成形装置。
6. 前記第１の加熱手段は、前記第１の成形型と前記誘導コイルとの間に当該第１の成形型に前記磁束を遮るように設けられる非磁性体で構成される遮蔽板である請求項１に記載の誘導加熱成形装置。
7. 前記第１の加熱手段は、前記遮蔽板を動かせて、磁束を遮る量を変化させる磁束遮蔽量調整手段を備える請求項６に記載の誘導加熱成形装置。
8. 請求項６および７の何れかに記載の誘導加熱成形装置において、光学素子材料を溶融加圧成形する成型方法であって、
   前記第１の成形型を第１の温度に第１の所定時間だけ加熱する第１の加熱ステップと、
   前記光学素子材料を載置した状態で前記第２の成形型を、前記第１の温度より低い第２の温度に前記第１の所定時間だけ加熱する第２の加熱ステップとを備え、前記光学素子材料は熱軟化していることを特徴とする成形方法。
9. 前記第１および第２の加熱ステップの後に、
   前記第１の成形型を第２の所定時間にわたって、前記第２の温度に降温すると共に第１の圧力で前記光学素子材料に押しつける降温加圧ステップと、
   前記第２の所定時間にわたって、前記第２の成形型を前記第２の温度で保持すると共に前記第１の圧力に抗して前記光学素子材料に押しつける保温加圧ステップとを備え、当該光学素子材料は前記第１の成形型および第２の成形型との接触部の形状に成形されることを特徴とする請求項８に記載の成形方法。
10. 前記降温加圧ステップおよび保温加圧ステップの後に、
    第３の所定の時間にわたって、前記第１および第２の成形型を前記第２の温度から第３の温度に降温すると共に、前記光学素子材料に押しつける圧力を前記第１の圧力から第２の圧力に減圧する第１の降温減圧ステップとを備え、前記成形された光学素子材料に前記第１および第２の成形型との接触部の形状が転写されることを特徴とする請求項９に記載の成形方法。
11. 前記第１の降温減圧ステップの後に、
    第４の所定の時間にわたって、前記第１の成形型を第４の温度に降温し、前記光学素子材料に押しつける圧力を前記第２の圧力から第３の圧力に減圧すると共に、前記第２の成形型を前記第２の温度に保持する第２の降温減圧ステップとを備え、前記光学素子材料は前記第１の成形型から分離されることを特徴とする請求項１０に記載の成形方法。
    
    
    

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