JP2006143492A - 光学素子の成形装置及び成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガラス素材の冷却工程における成形型の温度勾配を自在且つ精密に制御することができる光学素子の成形装置及び成形方法を提供する。
【解決手段】 成形装置は、成形型２２を加熱する加熱手段２１と、ガラス素材の成形中に成形型２２から継続的に熱を吸収する冷却手段と、成形型２２の温度を測定する温度測定手段２７と、該温度測定手段２７の測定結果に基づいて加熱手段２１の出力を制御する制御手段３７とを備えた構成としてある。また、成形方法は、冷却手段により成形型２２から熱を吸収しつつ、加熱手段２１の出力を制御することによって、成形型２２を成形温度まで加熱する加熱工程と、冷却手段により成形型２２から熱を吸収しつつ、加熱手段の出力を制御するとともに、成形型２２でガラス素材を押圧し、成形型２２をガラス転移点温度以下まで冷却する冷却工程とを含む方法としてある。
【選択図】 図２

Description

本発明は、加熱軟化させたガラス素材を一対の成形型によって押圧成形する光学素子の成形装置及び成形方法に関し、特に、前記ガラス素材の冷却工程における成形型の温度勾配を自在且つ精密に制御することができる光学素子の成形装置及び成形方法に関する。

従来から、ガラス素材を加熱軟化させた後に、一対の成形型によって押圧成形し、冷却工程を経て、最終的な成形品たる光学素子を得ることが行われている。近年、このような手法により成形される光学素子に精度向上の要請が高まるとともに、押圧成形後の冷却工程を速やかに行って成形サイクルを短縮し、生産効率の向上を図るという要請も強くなってきている。

そこで、本出願人は、特開平７−６１８２６号（特許文献１）において、少なくとも一方の金型に、該金型よりも温度の低い温度制御部材を面接触させて金型を冷却する光学素子成形装置の金型温度冷却方法を提案している。

このような方法によれば、熱伝導率の良い温度制御棒を金型に面接触させて金型の熱を奪い、金型温度の冷却制御の応答性，再現性及び効率を大幅に改善することができ、成形サイクルタイムの短縮及び成形品質の管理が容易となる。

その他、特公平６−８８８０１号（特許文献２）では、成形型とこれを支持する軸との間に断熱材を設けるとともに、赤外線ランプを加熱源とし、該赤外線ランプと成形型との間に不活性ガス雰囲気下に保ち得る成形室を形成するためのチャンバーを設けた構成の光学ガラス素子の成形装置が提案されている。

このような構成によれば、セラミックス等の非金属で作られた成形型を加熱することができ、内部まで赤外線を照射することが可能なので、該成形型の均一加熱化を図り、光学素子の精度を向上させることが可能となる。
特開平７−６１８２６号公報 特公平６−８８８０１号公報

ところが、上述した特開平７−６１８２６号の金型温度冷却方法では、温度制御棒を金型に接触させ、熱伝導により効率的に金型を冷却することができるという顕著な効果を奏するものであるが、ガラス素材の冷却工程における成形型の温度勾配を緩やかにしたり、急にしたり、自在且つ精密に制御することまでは考慮していなかった。

例えば、光学素子の形状や光学的な精度を高めるためには、ガラス素材を押圧した後に、成形型をガラス転移点まで緩やかな温度勾配（一般的には１℃／秒以下）で冷却制御する必要がある。一方、成形サイクルを短縮し、生産効率の向上を図るためには、成形型をガラス転移点以下における極めて急な温度勾配（一般的に２℃／秒以上）で温度制御する必要がある。

また、上述した特公平６−８８８０１号の光学ガラス素子の成形装置では、セラミックス等の非金属で作られた成形型の加熱を目的としており、ガラス素材の冷却工程における温度制御については全く考慮がなされてない。すなわち、成形型と軸との間に断熱部材を介在させているので、冷却工程における成形型から軸側への熱伝導が阻害されてしまい、該成形型から熱を効率よく吸収することができない。このため、冷却工程に長時間を要し、成形サイクルの短縮による生産効率の向上を図ることができないという問題があった。

本発明は、上記の事情ないし問題点に鑑みてなされたものであり、ガラス素材の冷却工程における成形型の温度勾配を自在且つ精密に制御することができる光学素子の成形装置及び成形方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の光学素子の成形装置は、加熱軟化させたガラス素材を一対の成形型によって押圧成形する光学素子の成形装置において、前記成形型を加熱する加熱手段と、前記ガラス素材の成形中に前記成形型から継続的に熱を吸収する冷却手段と、前記成形型の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段の測定結果に基づいて前記加熱手段の出力を制御する制御手段とを備えた構成としてある。

好ましくは、前記成形型を面接触状態で支持する支持部材を備え、該支持部材を前記冷却手段により冷却することで前記成形型を冷却するとともに、前記成形型の支持部材と接触面以外の箇所を前記加熱手段により加熱する構成とする。

より好ましくは、前記支持部材の熱伝導率を０．１cal／cm・S・℃以上とするとともに、前記冷却手段を冷却水又はオイルとした構成、又は、前記成形型と支持部材の接触面積を、前記成形型のガラス素材を成形するための成形面の面積よりも大きくした構成とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の光学素子の成形方法は、加熱軟化させたガラス素材を一対の成形型によって押圧成形する光学素子の成形方法において、冷却手段により前記成形型から熱を吸収しつつ、加熱手段の出力を制御することによって、前記成形型を成形温度まで加熱する加熱工程と、前記冷却手段により成形型から熱を吸収しつつ、前記加熱手段の出力を制御するとともに、前記成形型でガラス素材を押圧し、前記成形型をガラス転移点温度以下まで冷却する冷却工程とを含むようにしてある。

好ましくは、前記冷却工程が、前記冷却手段により成形型から熱を吸収しつつ、前記加熱手段の出力を制御するとともに、前記成形型でガラス素材を押圧し、前記成形型をガラス転移点温度以下まで冷却する第１冷却工程と、前記冷却手段により成形型から熱を吸収しつつ、前記加熱手段の出力を制御することによって、前記成形型を第１冷却工程よりも早い速度で冷却する第２冷却工程とを含むようにする。

本発明の光学素子の成形装置及び成形方法によれば、冷却手段により成形型を冷却しつつ加熱手段の出力を制御することにより、ガラス素材の冷却工程における成形型の温度勾配を自在且つ精密に制御することができる。これにより、ガラス素材を押圧した後に、成形型をガラス転移点まで緩やかな温度勾配で冷却制御して、光学素子の精度を向上させることができるとともに、その後、成形型をガラス転移点以下における極めて急な温度勾配で温度制御して、成形サイクルを短縮し、生産効率の向上を図ることができる。

まず、本発明の第１実施形態に係る光学素子の成形装置及び成形方法について、図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る光学素子の成形装置を示す部分断面図である。図２は上記光学素子の成形装置を構成する下部金型温度制御部を示す部分断面図である。

図１において、１は上端側をフレーム２に固定した固定軸であり、該固定軸１の下端側には、上部金型温度制御部３が取り付けてある。一方、固定軸１の下方には、これと同軸位置で対向する移動軸４が設けてあり、該移動軸４の上端側には、下部金型温度制御部５が取り付けてある。

前記移動軸４は、ベース６を貫通して下方へ伸び、ガイド７によって上下動自在に支持された駆動ベース８に固定してある。該駆動ベース８は、下方に位置するジャッキ９とサーボモータ１０とによって上下方向に所定速度で移動するとともに、ロードセル１１とリニアゲージ１２とによってプレス力と位置の制御が可能となっている。

前記固定軸１の下端部にはフランジ１３が設けてあり、該フランジ１３には、前記上部金型温度制御部３を介して、加熱源である上部加熱手段１５が上型（成形型）１４を囲むように設置してある。

また、固定軸１の中央部には、上部金型温度制御部３及び上型１４を包囲する上部隔壁１６が固定してあり、移動軸４の中央部には、下部金型温度制御部５及び下型２２を包囲する下部隔壁１７が固定してある。上部隔壁１６の下部には、下部隔壁１７の外周寸法よりやや大きいスカート１９が設けてある。該スカート１９の内周に下部隔壁１７の上端外周が挿入されることにより、ほぼ密閉された成形室１８が形成される。これら上部隔壁１６、下部隔壁１７及びスカート１９の内壁全面は、酸化を防止するためのＴＩＮコート等の耐熱耐酸化処理が施してある。

なお、上述した固定軸１と同様に、移動軸４の上端部にはフランジ２０が設けてあり、該フランジ２０には、前記下部金型温度制御部５を介して、加熱源である下部加熱手段２１が下型（成形型）２２を囲むように設置してある。

次に、図２を参照しつつ、下部金型温度制御部５について詳細に説明する。なお、上部金型温度制御部３と下部金型温度制御部５とは同一の構成となっているので、上部金型制御部３の説明は省略する。

同図において、下型２２は、その先端側から小、中、大の直径の円柱状部材を三段に連成した外形としてある。該下型２２は、その最後端の大径部を、下型支持部材２３の上端部に形成した凹部２４に嵌合し、固定用プレート２５を被せて押圧固定してある。これにより、下型２２の前記大径部と、下型支持部材２３の凹部２４とを面接触させている。

ここで、下型支持部材２３は、下端外周にフランジ状のツバ部２６を有する段付きの円筒状部材であり、熱伝導率が０．１cal／cm・S・℃以上の材料であるタングステンカーバイト（熱伝導率０．１５cal／cm・S・℃）や炭化ケイ素（熱伝導率０．１５cal／cm・S・℃）等の材料で形成してある。

また、本実施形態では、下型２２の前記大径部と、下型支持部材２３の凹部２４との接触面積を、該下型２２のガラス素材を成形するための成形面の面積よりも大きくしてある。これにより、下型２２と下型支持部材２３との熱伝達に十分な接触面積が得られ、該下型支持部材２３の伝熱効率を極めて良好とした場合は、加熱されて高温になった下型２２の熱を効率良く下型支持部材２３側に熱伝達して、該下型２２を冷却することができる。

下型支持部材２３の内部には、軸芯部に下型２２の温度を測定する測温器（温度測定手段）２７を通すための貫通孔２８が穿設してあるとともに、該貫通孔２８の外周には、冷却手段としての冷却媒体を循環させる中空溝２９が形成してある。該中空溝２９には吸入配管３０と排出配管３１が接続してあり、図示しない冷却媒体の供給装置に連結してある。冷却手段としての冷却媒体には、冷却水又はオイルを利用することができる。

下型支持部材２３は、そのツバ部２６をフランジ２０とネジ固定されることで移動軸４と一体化してある。また、該下型支持部材２３の下端側外周部には、円筒形のリング３２が固定してあり、該リング３２には、前記下型加熱手段２１を保持する加熱手段保持部材３３と固定用プレート２５を保持する保持部材３４が立設してある。

下型加熱手段２１は、下型２２の中径部を包囲する中空の環状となっており、該中空内部に環状の赤外線ヒーター３５と反射ミラー３６を有している。ここで、３７は温度制御機器（制御手段）であり、入力側に前記測温器２７を接続するとともに、出力側に前記赤外線ヒーター３５が接続してある。

より具体的に、赤外線ヒーター３５の動力線３８は、電力調整器４０を介して外部電源４１に接続してあり、電力調整器４０は、信号線３９を介して温度制御機器３７により制御される。すなわち、温度制御機器３７は、測温器２７の検知結果に基づいて、電力調整器４０に制御信号を出力し、赤外線ヒーター３５の出力を制御する。この結果、冷却媒体による継続的な冷却と相まって、下型２２の温度勾配を自在且つ精密に制御することができる。

なお、図示しないが、温度制御機器３７は、下型加熱手段２１の制御のみならず、上型加熱手段１５の制御も同時に行っており、上型１４及び下型２２の温度勾配を自在且つ精密に制御することができる。

次に、これら下部金型温度制御部５及び温度制御機器３７による下型２２の温度勾配の制御について、図２、図３及び図４を参照しつつ説明する。図３及び図４は上記金型温度制御部による温度制御の結果を示すグラフであり、図３は冷却工程における温度勾配を急激にした場合、図４は冷却工程における温度勾配を緩やかにした場合である。

図２において、ガラス素材の成形工程中は、常に、吸入配管３０から下型支持部材２３の中空溝２９内に、高精度に温度調整した前記冷却媒体を供給し、該冷却媒体を排水配管３１から排水することで、下型支持部材２３から一定の熱量を奪い取っている。

加熱工程では、赤外線ヒーター３５の赤外線が下型２４の側面に照射されると、該下型２２の温度は、前成形サイクルにおける成形品の離型後の温度（図３及び図４の離型温度４２を参照）から、ガラス素材の成形可能な温度（図３及び図４の成形温度４３を参照）まで急激に温度上昇する。その後、ガラス素材の押圧成形、及び冷却を開始する。

冷却工程では、まず、第１冷却工程として、ガラス素材を押圧成形しながら、温度制御機器３７にあらかじめ設定したガラス転移点以下の温度（図３及び図４の除冷終了温度４４を参照）まで定められた時間でほぼ直線的な勾配で冷却するように、温度制御機器３７が、測温器２７によって測定される下型２２の温度をフィードバックしながら、赤外線ヒーター３５の出力を、電力調整器４０の出力を徐々に絞ることで制御している。

次いで、第２冷却工程として、ガラス転移点以下の温度４４に到達した後、下型２２は離型温度４５まで急冷される。この際、赤外線ヒーター３５の出力はほぼ切れている状態であり、下型２２への熱の供給が無い状態で、下型支持部材２３から下型２２の熱を奪うことで実現している。

以上の制御を繰り返し行うことによって、結果として図３及び図４に示すような冷却工程における冷却勾配制御が実現される。
図３及び図４は、成形温度４３から除冷終了温度４４への温度勾配を変化させた事例である。この変化は温度制御機器３７で成形温度４３と除冷終了温度４４とその間に要する時間に相当する設定値を変更することで容易に変更ができる。

このような本実施形態の光学素子の成形装置及び成形方法によれば、前記冷却手段により上型１４及び下型２２を冷却しつつ、加熱手段１５，２１の出力を制御することにより、ガラス素材の冷却工程における上型１４及び下型２２の温度勾配を自在且つ精密に制御することができる。

すなわち、上型１４及び下型２２の温度を測温器２７によって測定し、その測定結果を温度制御機器３７にフィードバックし、加熱手段１５，２１の出力を制御するクローズドループの制御によって、冷却工程における冷却勾配の制御をより精密に行うことができる。

これにより、ガラス素材を押圧した後に、上型１４及び下型２２をガラス転移点まで緩やかな温度勾配で冷却制御して、光学素子の精度を向上させることができるとともに、その後、上型１４及び下型２２をガラス転移点以下における極めて急な温度勾配で温度制御して、成形サイクルを短縮し、生産効率の向上を図ることができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る光学素子の成形装置及び成形方法について、図５を参照しつつ説明する。図５は本発明の第２実施形態に係る光学素子の成形装置を構成する下部金型温度制御部を示す部分断面図である。なお、上述した第１実施形態と同一の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、本実施形態における上部金型温度制御部は、下部金型温度制御部と同一構成としてあるので、上部金型制御部の説明は省略する。

同図において、本実施形態の光学素子の成形装置は、複数個の下型４６，４６を、それぞれ型プレート４７内の所定位置に内装した構成としてある。該型プレート４７は、型プレート支持部材４８上端部に、固定用ネジ４９によって固定してある。この場合、各下型４６の底面と型プレート支持部材４８の上端面とが互いに面接触することが好ましいが（図中の符号５０参照）、下型４６の大きさや形状に応じて、下型４６の底面と型プレート支持部材４８の上端面との隙間をなくすための隙間調整プレート５１を挿入することも可能である。

このような型プレート支持部材４８と隙間調整プレート５１とは、第１実施形態と同様、熱伝導率が０．１cal／cm・S・℃以上の材料であるタングステンカーバイト（熱伝導率０．１５cal／cm・S・℃）や炭化ケイ素（熱伝導率０・１５cal／cm・S・℃）等の材料で形成する。また、型プレート支持部材４８は、下端外周にフランジ状のツバ部２６を有する段付きの円筒状部材である。型プレート支持部材４８の内部には、軸芯部に下型４６の温度を測定する測温器２７を通すための貫通孔２８が形成してある。測温器２７は、型プレート４７の中心部に形成した貫通孔に挿入固定してある。

このような構成からなる本実施形態の光学素子の成形装置では、ガラス素材の成形工程中は、常に、吸入配管３０から型プレート支持部材４８の中空溝２９内に、高精度に温度調整した前記冷却媒体を供給し、該冷却媒体を排水配管３１から排水することで、型プレート支持部材４８から一定の熱量を奪い取っている。

第１実施形態と同様に、加熱工程では、赤外線ヒーター３５の赤外線が型プレート４７の側面に照射されると、熱伝導により各下型４６の温度は、前成形サイクルにおける成形品の離型後の温度（図３及び図４の離型温度４２を参照）から、ガラス素材の成形可能な温度（図３及び図４の成形温度４３を参照）まで急激に温度上昇する。

このとき、型プレート４７と各下型４６との間には、熱伝導率や赤外線ヒーター３５からの位置の差等により温度差を生じるが、その差は極めて少なく、且つほぼ一定であるから、成形工程には特に影響を与えるものではない。

その後、ガラス素材の押圧成形、及び冷却を開始する。冷却工程では、第１冷却工程として、ガラス素材を押圧成形しながら、温度制御機器３７にあらかじめ設定したガラス転移点以下の温度（図３及び図４の除冷終了温度４４を参照）まで定められた時間でほぼ直線的な勾配で冷却するように、温度制御機器３７が、測温器２７によって測定される型プレート４７の温度をフィードバックしながら、赤外線ヒーター３５の出力を、電力調整器４０の出力を徐々に絞ることで制御している。

次いで、第２冷却工程として、ガラス転移点以下の温度４４に到達した後、下型２２は離型温度４５まで急冷される。この際、赤外線ヒーター３５の出力はほぼ切れている状態であり、型プレート４７への熱の供給が無い状態で、型プレート支持部材４８から型プレート４７の熱を奪うことで実現している。

このような本実施形態の光学素子の成形装置及び成形方法によれば、型プレート４７によって複数個の下型４６（同様に上型も）の温度勾配を、同時に自在且つ精密に制御することができ、高精度の光学素子を短い成形サイクルで効率よく量産することができる。

本発明の第１実施形態の光学素子の成形装置を示す部分断面図である。 上記光学素子の成形装置を構成する下部金型温度制御部を示す部分断面図である。 上記金型温度制御部による温度制御の結果を示すグラフであり、冷却工程における温度勾配を急激にした場合である。 上記金型温度制御部による温度制御の結果を示すグラフであり、図４は冷却工程における温度勾配を緩やかにした場合である。 本発明の第２実施形態に係る光学素子の成形装置を構成する下部金型温度制御部を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 固定軸
２ フレーム
３ 上部金型温度制御部
４ 移動軸
５ 下部金型温度制御部
６ ベース
７ ガイド
８ 駆動ベース
９ ジャッキ
１０ サーボモーター
１１ ロードセル
１２ リニアゲージ
１３ フランジ
１４ 上型（成形型）
１５ 上部加熱手段
１６ 上部隔壁
１７ 下部隔壁
１８ 成形室
１９ スカート
２０ フランジ
２１ 下部加熱手段
２２ 下型（成形型）
２３ 下型支持部材
２４ 凹部
２５ 固定用プレート
２６ ツバ部
２７ 測温器（温度測定手段）
２８ 貫通孔
２９ 中空溝
３０ 吸入配管
３１ 排出配管
３２ リング
３３ 加熱手段支持部材
３４ 保持部材
３５ 赤外線ヒーター
３６ 反射ミラー
３７ 温度制御機器（制御手段）
３８ 動力線
３９ 信号線
４０ 電力調整器
４１ 外部電源
４２ 離型温度
４３ 成形温度
４４ 除冷終了温度
４５ 離型温度
４６ 下型
４７ 型プレート
４８ 型プレート支持部材
４９ 固定用ねじ
５１ 隙間調整プレート

Claims (6)

1. 加熱軟化させたガラス素材を一対の成形型によって押圧成形する光学素子の成形装置において、
   前記成形型を加熱する加熱手段と、
   前記ガラス素材の成形中に前記成形型から継続的に熱を吸収する冷却手段と、
   前記成形型の温度を測定する温度測定手段と、
   該温度測定手段の測定結果に基づいて前記加熱手段の出力を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする光学素子の成形装置。
2. 前記成形型を面接触状態で支持する支持部材を備え、該支持部材を前記冷却手段により冷却することで前記成形型を冷却するとともに、前記成形型の支持部材と接触面以外の箇所を前記加熱手段により加熱することを特徴とする請求項１記載の光学素子の成形装置。
3. 前記支持部材の熱伝導率を０．１cal／cm・S・℃以上とするとともに、前記冷却手段を冷却水又はオイルとしたことを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子の成形装置。
4. 前記成形型と支持部材の接触面積を、前記成形型のガラス素材を成形するための成形面の面積よりも大きくしたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光学素子の成形装置。
5. 加熱軟化させたガラス素材を一対の成形型によって押圧成形する光学素子の成形方法において、
   前記冷却手段により成形型から熱を吸収しつつ、加熱手段の出力を制御することによって、前記成形型を成形温度まで加熱する加熱工程と、
   前記冷却手段により成形型から熱を吸収しつつ、前記加熱手段の出力を制御するとともに、前記成形型でガラス素材を押圧し、前記成形型をガラス転移点温度以下まで冷却する冷却工程と
   を含むことを特徴とする光学素子の成形方法。
6. 前記冷却工程が、
   前記冷却手段により成形型から熱を吸収しつつ、前記加熱手段の出力を制御するとともに、前記成形型でガラス素材を押圧し、前記成形型をガラス転移点温度以下まで冷却する第１冷却工程と、
   前記冷却手段により成形型から熱を吸収しつつ、前記加熱手段の出力を制御することによって、前記成形型を第１冷却工程よりも早い速度で冷却する第２冷却工程と
   を含むことを特徴とする請求項５に記載の光学素子の成形方法。