JP2006240943A - 熱間プレス成形装置、及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、難形状の光学ガラス素子を簡易な構成で時間効率良く成形する熱間プレス成形装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
ガラス材料を軟化し、軟化した該ガラス材料を金型の転写面に押し当てて変形させることにより上記ガラス材料を上記転写面によって形成される光学ガラス素子の形状に成形する熱間プレス成形装置を前提に、上記光学ガラス素子（４）の薄肉部の形状を形成する上記金型の転写面から上記光学ガラス素子の薄肉部と隣り合う該光学ガラス素子の厚肉部の形状を形成する上記金型の転写面に向けて順に熱を到達させる断熱層付き金型（３）と、上記金型を加熱して該金型内の上記ガラス材料を軟化させる加熱手段（６−１、６−２）と、を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学ガラス素子を熱間プレス成形する装置に関し、特に、光学ガラス素子の成形材料を光学ガラス素子形状に熱変形させる加熱冷却技術に関する。

光学素子（例えば光学機器の光学系レンズに使用される球面レンズや非球面レンズなど）は、一般的に、ガラス遷移挙動を示す材料（以下、ガラス材料と呼ぶ）を成形材料として熱間プレス成形装置で成形して作られる。

上記熱間プレス成形装置は、上型及び下型をスリーブで挟持して構成させた金型や、この金型を収容するチャンバーや、このチャンバ内の気体を交換する装置や、そのチャンバー内に構成され、上記収容された金型を加熱する装置や、上記チャンバー内に収容された金型を例えば金型の上型側を下型側に押しつけるなどして押圧させるプレス装置などからなり、各部は制御装置によって制御されている。

上記熱間プレス成形装置における光学素子の成形は、上記上型と下型との間に上記ガラス材料をセットした状態で金型をチャンバー内（成形室内）に収納し、チャンバー内の大気を窒素ガスに交換した状態で上記ガラス材料を加熱及び押圧することにより行なわれる。そして、この押圧により所定形状に変形したガラス材料は、上記加熱を中止し、窒素ガスをチャンバー内に更に流入させるなどして冷却され、取り出し温度でチャンバー外に取り出される。こうしてガラス材料が成形されてなる光学素子（この光学素子を光学ガラス素子と呼ぶ）ができる。

上記ガラス材料の加熱・冷却や押圧力の調節は、事前に設定した設定時間やセンサによる検出を基に制御装置から加熱装置やプレス装置が制御されることにより行なわれている。

特に加熱装置は、ガラス材料に対する加熱方法に応じて成形時間や成形後の光学ガラス素子の精度が変わるため、熱の伝達方法に工夫がなされているものがある。
その一つとして、一対の成形型（上記金型）に構成される上型及び下型の温度を、それぞれに二つの加熱機構を用いて制御するものがある。上記加熱機構の一つは、型外周を囲むように赤外線ヒータを配設し、この赤外線ヒータの近傍に配設させた熱伝対からその加熱温度を検知することにより、上記赤外線ヒータを温度調節する。またもう一つの加熱機構では、型の内部にカートリッジヒータが埋め込まれ、カートリッジヒータの近傍にこれまた埋め込まれた熱伝対からその加熱温度を検知することにより、上記カートリッジヒータを温度調節する。このように構成することで、型に温度分布をもたせる制御を行なえるようにしている（特許文献１参照）。

また別の一つとして、一対のヒータブロック間に、成形レンズ（上記光学ガラス素子）の薄肉部に近い一部の面が該ヒータブロックと非接触になる金型を配置することで、成形レンズのガラス内部の温度を均一にさせるものがある。この金型は、成形レンズの薄肉部に近い部分であってヒータブロックと接触する上型または下型の面の一部に例えば半円形状などの非接触部を形成して構成したり、或いは、金型の上型及び下型を案内する胴型の周囲に熱伝導率の低い第２の胴型を構成したりすることで、上記成形レンズのガラス内部の温度を均一にさせる。特に後者の構成では、成形レンズ周辺から熱が奪われ難くなるので、ガラス内部に温度差が生じ難くできる。このように、この例ではガラス内部の温度を均一に保つ工夫がなされている（特許文献２参照）。
特開２００２−１９３６２６号公報（段落「００２３」−「００２８」、段落「００３１」−「００３７」、図１、図２） 特公平６−２４９９２（第５頁−７頁、図１、図２、図３）

光学ガラス素子の形状は、曲率半径が比較的大きなもの（つまり平らに近い形状のもの）から曲率半径が比較的小さなもの（つまり球に近い形状のもの）まで、様々である。
特に上記曲率半径が比較的小さなものは、上記平らに近い形状と比べて、成形し難い難形状とされる。

しかし、従来型の加熱方法で上記難形状を成形すると、レンズの薄肉部に近い一部の面が該ヒータブロックと非接触になる金型を配置する例では、ガラス材料の変形量が最も大きいレンズ薄肉部付近の温度がレンズ厚肉部付近の温度と比べて低いため、プレス力によってガラス材料が流動する温度にレンズ薄肉部付近が達するまでかなりの時間を要してしまう。また、冷却時も、レンズ厚肉部の温度が薄肉部の温度と同じであるため、レンズ厚肉部の温度を下げるのに多大な時間を要してしまう。

一方、二つの加熱機構を用いて加熱制御する方法では、難形状のものは勿論、簡易形状のものでも、二つのヒータを同時に加熱して制御するため金型内外の温度差の制御が大変複雑であり、最適な制御方法を見つけるのが困難である。

以上のように、難形状の光学ガラス素子を熱間プレス成形装置で成形する場合、その成形時間が大幅にかかってしまったり、或いは二つの加熱機構の温度制御が最適に行なわれる制御方法を見つけ出さなければならず、問題であった。

そこで本発明は、難形状の光学ガラス素子を簡易な構成で時間効率良く成形する熱間プレス成形装置、及びその方法を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために以下のように構成する。
本発明の熱間プレス成形装置の態様の一つは、ガラス材料（ガラス遷移挙動を示す材料）を軟化し、軟化した該ガラス材料を金型の転写面に押し当てて変形させることにより上記ガラス材料を上記転写面によって形成される光学ガラス素子の形状に成形することを前提に、上記光学ガラス素子の薄肉部の形状を形成する上記金型の転写面から上記光学ガラス素子の薄肉部と隣り合う該光学ガラス素子の厚肉部の形状を形成する上記金型の転写面に向けて順に熱を到達させる断熱層付き金型と、上記金型を加熱して該金型内の上記ガラス材料を軟化させる加熱手段と、を有するように構成する。

なお、上記断熱層付き金型は、断熱部材が埋め込まれた断熱層または気体の断熱層が一部に構成されており、これらの断熱層の位置及び形状により、上記加熱手段により加熱された上記金型の転写面への熱の到達順序を調節することができる。

そして、上記金型の転写面が上記金型の底面（金型の転写面が、該金型を構成する各型の上面に構成されているとした時の、その底面）から加熱される上記断熱層付き金型では、上記金型の転写面が凹形状の場合、該転写面に対応する底面には、該底面から上記転写面方向へ凸形状の断熱層が構成されている、ようにすることが望ましい。

またその他に、上記金型の転写面が上記金型の底面から加熱される上記断熱層付き金型では、上記金型の転写面が凸形状の場合、該転写面と該転写面に対応する底面との間の外周側面に、内部方向（つまり、該外周側面を有する型の内部方向）へ向けた上記断熱層が構成されている、ようにすることが望ましい。

上記断熱層は、更に、溝または孔が空気で満たされた構造をとるとなお良い。
また上記加熱手段は、上記金型の薄肉部が所定温度に達するまで上記金型を加熱して該金型内のガラス材料を軟化させ、上記厚肉部の温度が上記薄肉部の温度に達する前に上記ガラス材料を冷却し始める、ように構成することが好ましい。

上記加熱手段は、更に、上記金型と接触して熱源からの熱を該金型に伝導する接触面と、上記接触面以外からの熱漏れを防ぐ断熱手段と、を有するように構成することが望ましい。

本発明の熱間プレス成形方法の一つは、ガラス材料を軟化し、軟化した該ガラス材料を金型の転写面に押し当てて変形させることにより上記ガラス材料を上記転写面によって形成される光学ガラス素子の形状に成形することを前提とし、上記光学ガラス素子の薄肉部の形状を形成する上記金型の転写面から上記光学ガラス素子の薄肉部と隣り合う該光学ガラス素子の厚肉部の形状を形成する上記金型の転写面に向けて順に熱が到達する断熱層付き金型を成形室内にセットし、上記金型を予め決められた方向から加熱し、上記光学ガラス素子の薄肉部が所定温度に達すると、加熱により軟化した上記ガラス材料を上記金型の転写面に押し当てて変形させる、ようにする。

なお、上記軟化したガラス材料を上記金型の転写面に押し当てて変形させた後は、上記厚肉部の温度が上記薄肉部の温度に達する前に上記ガラス材料を冷却し始める、ようにすることが望ましい。

本発明では、加熱手段により金型が加熱されると、その熱が光学ガラス素子の薄肉部の形状を形成する上記金型の転写面から上記光学ガラス素子の薄肉部と隣り合う該光学ガラス素子の厚肉部の形状を形成する上記金型の転写面に向けて順に到達させることができる。このため、熱が平衡状態になるまで金型の転写面では、光学ガラス素子の形状の厚肉部を形成する部分が薄肉部を形成する部分よりも高温になり、よりガラス材料の軟化が必要な光学ガラス素子の薄肉部側の設定温度へ熱の平衡状態を待たずに到達させることができる。そして、厚肉部は薄肉部よりもガラス材料の変形が小さく設定温度を低くできるため、上記平衡状態を待たずに上記ガラス材料を金型の転写面に押し当てても光学ガラス素子を成形することが可能になる。

そしてこの場合、更に、上記平衡状態を待たずに例えば加熱を中止するなどしてガラス材料の冷却を始めれば、熱が冷めにくい厚肉部では温度が上昇しきっていないため、より短時間で所定温度まで冷却することが可能になる。

以上述べたように、本発明によれば、断熱層を設けるなどの簡易な構成で難形状の光学ガラス素子を時間効率良く、またこれに伴ない熱効率も良く、成形することができるようになる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の熱間プレス成形装置の構成例である。
同図の熱間プレス成形装置１は、その内部構成、特に本発明の要部の構成が分かりやすいように、装置の一部を縦に切り裂いた側方断面図で示されている。

同図の熱間プレス成形装置１は、チャンバ２によって密閉された成形室と、成形室内部に装着する金型３、詳しくは、後述の断熱層を上型３−１または下型３−２に備え、互いの型でガラス遷移挙動を示す材料（以下、ガラス材料と呼ぶ）４を挟みこみ、更に互いの型の軸心を筒状のスリーブ３−３で揃えた金型と、この金型３を成形室内部でプレスするプレス機構５と、成形室内部に設置され、その金型３を加熱する（更には加熱された金型３に対して加熱を中止することで該金型３を冷却する）一対の加熱装置６（６−１、６−２）と、その他、成形室内部の気体を窒素に交換する、同図にはその窒素流入口７−１及び排出口７−２のみが示された窒素交換装置などによって構成されている。

同図の加熱装置６（６−１、６−２）はそれぞれ、金型３の上型３−１側と下型３−２側に配置されており、下型３−２側の加熱装置６−２はチャンバ２に固定されている。そして、上型３−１側の加熱装置６−１は、プレス機構５の可動部（後述のプレス軸）と一体動作できるように構成され、上記可動部による後述のプレス動作によりチャンバ２内部で上下動できるようになっている。本例の加熱装置６は、それ自体が金型３の台座になり、金型3を直接的に加熱・冷却する構成をとる。このため、台座からチャンバー２に高温の熱が伝わらないように、本例ではこれら加熱装置６−１、６−２の下部５２を、不図示の冷却路が内部に張り巡らされた冷却構造にしている。

上記プレス機構５は、下部に鍔８−１が構成されているプレス軸５−１、及びプレスシリンダ５−２を有し、プレスシリンダ５−２の駆動によりプレス軸５−１を下降または上昇させるプレス動作を行なう。そしてこのプレス動作と共に上記加熱装置６−１が上下動するように、上記上型３−１側の加熱装置６−１の外部に当該加熱装置６−１を保持するためのカバープレート８−２が構成され、更にこのカバープレート８−２の上面に吊具８−３が構成されている。この構成では、プレス軸５−１が下降動作すると上記加熱装置６−１は、該加熱装置６−１が金型３の上型３−１の底面（同図の上型３−１の上側に位置する面）に当接してこの加熱装置６−１の重みで下型３−２側に上型３−１側が下がりきるまで、上記吊具８−３がプレス軸５−１の鍔８−１に支えられながら下降し、その加熱装置６−１の重みで下型３−２側に上型３−１側が下がりきった後はプレス軸５−１の鍔８−１が吊具から離れ、プレス軸５−１の先端で加熱装置６−１の底面（同図の加熱装置６−１の上側に位置する面）が下方に押圧されることにより、上型３−１側を下型３−２に更に押し当てながら下降する。なお、プレス軸５−１が上昇動作する場合の加熱装置６−１の動作は上述した下降動作と反対の動作を辿る。

さて、同図には、チャンバ２内部に金型３が既に装着された時の状態が示されている。同図のチャンバ２は、チャンバ２内部への金型３の供給及びチャンバ２外部への金型３の排出が可能なように、金型３の装着位置側面（同図の左右）にシリンダ９−１、９−２の駆動で開閉するシャッター（供給シャッター１０−１及び排出シャッター１０−２）を備えている。そして更に、同図のチャンバ２は、金型３の装着位置の両隣（同図の左右）がこの装着位置と同じ高さのテーブル構造１１−１、１１−２になっている。金型３はこれらのテーブル１１−１、１１−２にガイドされながら、供給シャッター１０−１側から同図に示されるように内部の台座上（つまり、加熱装置６−２の上面）に供給され、熱間プレス成形後に、そこから排出シャッター１０−２側へ排出される。

また、このチャンバ２には、上記供給シャッター１０−１及び排出シャッター１０−２を閉じて密閉した成形室内部の大気ガスを窒素ガスに交換するための窒素流入口７−１が、チャンバ２外部の不図示の窒素制御バルブに導通して構成され、更に、チャンバ２内部の大気を排出したり、チャンバ２内部のガス圧を所定の気圧（例えば０．１kgf/cm²気圧）に保つために大気ガスや窒素ガスを排出する排出口７−２などが構成されている。

なお、特に図示されていないが、加熱装置６にはこの加熱装置６を加熱させるための電線やこの加熱装置６の温度を検出するための熱電対（これらについては後述する）が取りつけられており、チャンバ２に構成されたコネクタ１２−１、１２−２を介して外部に取り出しできるようになっている。このコネクタ１２−１、１２−２からはその他の各種信号線も取りだし可能であり、ここから取り出された各種信号線やプレスシリンダ５−２を駆動する信号線や窒素交換装置を制御する信号線など、チャンバ内外の各種信号線は本熱間プレス成形装置１の上部に構成された不図示の制御装置に接続されている。本熱間プレス成形装置１は、この制御装置の制御下で各部が駆動され、熱間プレス成形処理が行なわれる。

図２、図３には、図１に示した加熱装置６の詳しい構成例が２形態示されている。
図２は、熱源に平面状のヒータを用いた場合の構成例であり、図３は、熱源に棒状ヒータを用いた場合の構成例である。

なお、加熱装置６−１と６−２の構成は基本的に同じであるため、各図には加熱装置６−２の構成例のみを示すこととするが、加熱装置６−２と対向する位置（つまり同図の上側）には、以下に示す形態の加熱装置と上下対称となる加熱装置６−１が構成されるものとする。

図２（a）は、第一の形態の加熱装置の分解斜視図である。
また図２（ｂ）は、図２（a）のＡ−Ａ方向から作図した当該加熱装置の側方断面図であり、ここでは、加熱装置上に位置決めされた時の金型３（同図においては上型３−１及び下型３−２に断熱層３０を有する金型）を上記加熱装置と共にＡ−Ａ方向から側方断面図で示すこととした。

同図の加熱装置６０は、断熱性のブロック６１と、下面に二つの端子をもつ板状のヒータ（例えば外形Φ４０ｍｍ、厚さ3ｍｍのＳｉｃ材など）６２と、このヒータ６２の熱を金型の底面（同図においては下型３−２の底面）に伝える熱伝導率の良いプレート６３と、プレート６３の温度を検出するための熱電対６４とからなる加熱部６０−１と、そして更に、ヒータ６２からの熱をチャンバ（図２のチャンバ２）に伝えないように上記ヒータ６２からの熱を冷却する冷却部６０−２とからなる。

上記ブロック６１は箱形状をしており、この上面には上記ヒータ６２の形状がかたどられた凹部６１０が設けられ、更に、ヒータ６２をここに装着したときにそのヒータ６２の端子６２０、６２１が下面からでるようにその端子用の孔６１１が設けられている。また、このブロック６１には、当該ブロック６１に後述のプレート６３を嵌めたときにこの内部から外部へ熱電対６４を取り出せるように溝６１２が設けられている。ブロック６１の凹部にヒータ６２を装着すると、ヒータ６２の上面はブロック６１の上面と略同一の高さとなり、その上には平板のプレート６３を嵌めるための嵌めこみ空間６１３ができる。上記熱電対６４はブロック６１の溝６１２を介してブロック６１の側面からプレート６３の中心に掛け渡され、板状のプレート６１が上記嵌めこみ空間６１３に嵌めこまれる。ブロック６１の下ではヒータ６２の端子６２０、６２１が電線６２２、６２３と接続され、この電線６２２、６２３と熱電対６４は、コネクタ１２−２を介して本熱間プレス成形装置の制御装置１５に接続させる。

そして本例では、この熱によりチャンバが高温になるのを防ぐために、冷却部６０−２の内部に冷却水や気体などが流れる冷却路６５を設けている。
図３（a）は、第二の形態の加熱装置の分解斜視図である。

また図３（ｂ）は、図３（a）のＢ−Ｂ方向から作図した当該加熱装置の側方断面図であり、図２と同様に、加熱装置上に位置決めされた時の金型３（同図においても上型３−１及び下型３−２に断熱層３０を有する金型）を当該加熱装置と共にＢ−Ｂ方向から側方断面図で示した。

同図の加熱装置６５は、断熱性の下プレート６６と、円柱形状で端面に端子を有する三本の棒状ヒータ（例えば外形Φ１０ｍｍ、長さ５０ｍｍのＳｉｃ材など）６７と、このヒータ６７の熱を金型の底面（つまり下型３−２の底面）に伝える熱伝導率の良い上プレート６８と、プレート６８の温度を検出するための熱電対６９とからなる加熱部６５−１と、図２に示した冷却部６０−２とからなる。

同図の加熱部６５−１は、下プレート６６に、上プレート６８を挿入するための案内レール６６０が構成され、一方の上プレート６８に、上記案内レール６６０に沿って上プレート６８を下プレート６６にスライドさせて嵌入させるための摺動部６８０が構成されている。また、上プレート６８及び下プレート６６には、上プレート６８を下プレート６６に嵌入させた時に棒状ヒータ６７と同形状の空間が形成される半円弧上の溝（６６１−６６３、６８１−６８３）が、三つ平行に等間隔でそれぞれのプレート６６、６８に構成されている。

上記加熱部６５−１は、下プレート６６の半円弧状の溝６６１−６６３にそれぞれ棒状ヒータ６７−１から６７−３を装着し、下プレート６６の案内レール６６０に沿って上プレート６８の摺動部６８０を嵌入させて構成されている。

なお、熱電対６９は、上プレート６８の中心あたりに挿入し、上記棒状ヒータ６７−１から６７−３の各端子に接続された電線６７３−６７５と共にコネクタ１２−２を介して制御装置１５に接続させる。

上述した各形態の加熱装置に構成されるヒータには、タンタルなどのヒータ線を使用しても良い。また、プレート（または上プレート）としては例えば熱伝導率９０Ｗ/ｍ・ｋのＡＬＮ−ＢＮ材を使用し、ブロック（または下プレート）としては例えばＳＩＮ材を使用し、電線にはニッケル材を使用すると良い。

上述した第一及び第二の形態の加熱装置では、下型３−２の加熱を部材を介して熱源から直接行えるのに加え、下型３−２の底面とヒータとの間に熱伝導の良い部材を使用し、それ以外のヒータ周囲を断熱性のある部材で覆っているので、ヒータから発生した熱を下型３−２の底面に効率良く伝えることができる。これにより、詳しくは後述するが金型３に構成した断熱層３０による金型３の転写面の温度制御を効率良く行なうことができる。

なお、以下においても上記形態の加熱装置に基づいて話を進めるが、加熱装置の構成はこれに限るものではなく、単に金型の底面方向から金型を加熱できる構成であっても後述する効果は期待でき、更に、これ以外の方法で金型を加熱する形態のものでも、それに応じて後述の断熱層付き金型の断熱層を適切な形状及び配置で設計すれば使用できる。

図４及び図５は、上述した加熱装置に当接して使用する断熱層付き金型の具体例である。
図４は、金型に構成される型（本例では上型または下型）の転写面が凹形状である場合の断熱層の形状を示した例であり、図５は該転写面が凸形状である場合の断熱層の形状を示した例である。

図４（a）には転写面が凹形状である型の斜視図が示され、図４（a）のＣ−Ｃ方向から作図した当該型の側方断面図が図４（ｂ）に示されている。
図４（a）の型は内部構成が分かるように内部を一点鎖線で示している。

同図の型３−２は、凸形状の土台部材３１の上面に凹形状の転写面３２が構成されてなる。
そして、型３−２の底面から同図上方に向け、凸形状の断熱層３０が構成されている。

この断熱層３０は、略円柱形状をしており、例えば、型３−２の底面からこの形状に孔を開けて空気で満たしたり或いはその空間を断熱材で満たすことにより形成できる。
この断熱層３０は、凹部形状の転写面３２の最も低い位置（本例では転写面の中心）と軸心が交差する位置に円柱形状の断熱層が形成されている。この形状は、転写面３２の外径をｅ、転写面３２の内径（つまり転写面３２の縁を含まない内側の転写面３２の径）をｆ、転写面３２の高低差をｇ、断熱層３０の外径をｈ、及び断熱層３０の高さ（つまり型３−２の内部方向への深さ）をｉとすると、ｇ：ｆ＝ｅ−ｈ：ｉ程度となるように形成することが望ましく、また更に、ｈをｅの０．８倍以下として形成することがより良い。

なお、上記土台部材３１としては、例えば超硬材などが適する。
図５（a）には転写面が凸形状である型の斜視図が示され、図５（a）のＤ−Ｄ方向から作図した当該型の側方断面図が図５（ｂ）に示されている。

同図の型は、凸形状（平板の上に突出部をもった形状）の土台部材３６の上面に凸形状の転写面３７が構成されてなる。
そして、型の側面から型の内部に向け、断熱層３５が構成されている。

この断熱層３５は、図５（ｂ）の土台部材３６と太い破線とによって囲まれた領域に形成されており、本例ではリング形状をしている。この断熱層３５は、例えば、転写面を上面に有し、この転写面の外径と同径の突出部をもつ土台部材から、その突出部の側面を同一の幅、同一の深さで削り、この削った空間を空気で満たしたり或いはその空間を断熱材で満たすことにより形成できる。

この断熱層３５は、
転写面３７の外径をｊ、転写面３７の内径（つまり転写面３７の縁を含まない内側の転写面３７の径）をｋ、転写面３７の高低差をｌ、断熱層３５の幅をｍ、及び断熱層３５の高さ（つまり型の内部方向への深さ）をｎとすると、ｌ：ｋ＝ｊ-ｎ：ｍ程度となるように形成することが望ましく、また更に、ｎをｊの０．２倍以下として形成することがより良い。

なお、上記土台部材３１としては、例えば超硬材などが適する。
図６は、上記断熱層付きの型を底面から加熱した場合の転写面への熱の広がりを示した図である。

同図（ａ）は、図４（ｂ）に示した型（つまり転写面が凹形状の型）の断面図上に上記熱の広がりを加えた図である。
同図の矢印は加熱装置から加えられる熱の流れを示しており、ガラス材料の成形温度に転写面の一部が達したときの型の温度分布を模様で示している。なお、上記温度分布の模様は、温度が低くなるしたがって色が濃くなるにように描かれている。

同図に示されているように、本例の型は、型の底面から内部に断熱層が設けられているため、加熱装置から加熱された熱は、断熱層の周囲の熱伝導の良い部分から転写面方向へ伝わる。このため、熱の伝達路という点で底面から最も近い転写面の縁が最初に加熱され、底面から遠い転写面の中心部へと徐々に加熱される。そして、熱の平衡状態になるまで、転写面の縁から中心部に向けて温度が低くなるような温度分布が転写面に形成され、同図の状態を形成する。

本例の転写面は凹形状であるため、転写面上にガラス材料をセットして熱間プレス成形を行なうと、転写面の中心部から縁に向けて徐々にガラス材料の量が少なくなるように当該ガラス材料を成形する。この例でガラス材料は、転写面の中心部付近では厚肉になるように成形され、縁に向かうにつれて徐々に薄肉になるように成形される。

つまり、ガラス材料の多くは転写面の中心部付近に留まり、僅かな量だけ転写面の縁方向へ移動する。このため、転写面の中心部付近ではガラス材料の変形が少ないため、転写面上の温度が一定になる前の同図に示されるような温度分布が生じた状態でも成形ができる。

同図（ｂ）は、図５（ｂ）に示した型（つまり転写面が凸形状の型）の断面図上に上記熱の広がりを加えた図である。
同図（ｂ）も同図（ａ）と同様に、矢印は加熱装置から加えられる熱の流れを示しており、ガラス材料の成形温度に転写面の一部が達したときの型の温度分布が模様で示されている。そして、上記温度分布の模様は、温度が低くなるしたがって色が濃くなるにように描かれている。

同図に示されているように、本例の型は、型の側面に断熱層が設けられているため、加熱装置から加熱された熱は、熱伝導の良い型の中心から転写面方向へ伝わる。このため、熱の伝達路という点で底面から最も近い転写面の中心部が最初に加熱され、底面から遠い転写面の縁へと徐々に加熱される。そして、熱の平衡状態になるまで、転写面の中心部から縁に向けて温度が低くなるような温度分布が転写面に形成され、同図の状態を形成する。

本例の転写面は凸形状であるため、転写面上にガラス材料をセットして熱間プレス成形を行なうと、転写面の中心部から縁に向けて徐々にガラス材料の量が多くなるように当該ガラス材料を成形する。この例でガラス材料は、転写面の縁では厚肉になるように成形され、中心部に向かうにつれて徐々に薄肉になるように成形される。

つまり、ガラス材料の多くは転写面の縁方向へ移動し、僅かな量だけ転写面の中心部付近に留まる。このため、転写面の縁付近ではガラス材料の変形が少ないため、転写面上の温度が一定になる前の同図に示されるような温度分布が生じた状態でも成形ができる。

図７は、図１の熱間プレス成形装置に上記断熱層付き金型をセットしてガラス材料を成形させたときの成形時間と転写面上の温度との関係を示したグラフである。
なお、上記凹形状の転写面をもつ断熱層付き金型を用いて成形した場合と、凸形状の転写面をもつ断熱層付き金型を用いて成形した場合とは、以下に示す効果が同様に得られるので、同図には、凹形状の転写面をもつ断熱層付き金型を用いて成形した場合の成形時間と転写面上の温度との関係を示すこととする。

同図の実線は、プレス機構が上型の底面をプレスするプレス力を示したグラフであり、一点鎖線は、光学ガラス素子の薄肉部を形成する転写面（つまり本例の凹形状の転写面をもつ断熱層付き金型では、縁の転写面）の温度変化を示したグラフであり、二点鎖線は、光学ガラス素子の厚肉部を形成する転写面（つまり本例の凹形状の転写面をもつ断熱層付き金型では、中心部の転写面）の温度変化を示したグラフである。

以下、熱間プレス成形処理の動作を説明しながら、上記グラフを説明する。
下の台座（本例では加熱装置も兼ねる）に断熱層付き金型がセットされると、供給シャッタは閉じられ、排気口からチャンバー内の気体を外部に排気し、チャンバー内を８Paまで減圧する。

その後、窒素流入口から窒素を供給してチャンバ内を窒素に置換し、十分に置換が行なわれてから上型の上面（底面）に向けてプレス軸が下がり、上型の底面をプレス軸の先端で押し付ける。本例では５ｋｇｆの力で押し付ける。

そして、上部の加熱装置により金型の上型の底面が加熱され、下部の加熱装置から該金型の下型の底面が加熱される。この加熱により、各型には、図６（ａ）に示したように熱が伝導し、光学ガラス素子の薄肉部を形成する転写面から厚肉部を形成する転写面に向けて低温になる温度分布を生じさせる。
一定時間（図７のｔ１）が経過すると、図６（ａ）に示されるように、転写面上の各点における温度が、各点で必要な成形温度に達する。なお、各点に応じて、成形される光学ガラス素子の厚みが異なるため、上記必要な成形温度は厚みが大きくなるほど小さくてよい。

ここで、プレス軸を駆動して、本例では２００ｋｇｆの力を上型の上面（底面）へ更に加える。このプレス力によりスリーブに沿って上型が下降し、軟化したガラス材料が下型の転写面に押し当てられる。

ここでは、転写面上に温度差が生じているが、ガラス材料の変形量の多い転写面の縁は高温（図７のＴ１）を維持し、変形量の小さい転写面の中心部は時間と共に徐々に温度が上昇するので、転写面の縁にガラス材料が染み渡り、光学ガラス素子の縁の形状が形成されるころには、既に光学ガラス素子の中心形状は形成される。

このように、断熱層付き金型を使用することにより、従来よりも早いタイミングでプレス処理を開始することが可能になる。このため、当然、プレス処理を解除するタイミングも早くなる。

この加熱処理が終わると、続いて、加熱したガラス素子を冷却する工程に入る。
この工程では、加熱装置への電力供給を停止することで金型３を自然冷却させる。なお、チャンバ内に更に窒素ガスを送り込むなどして冷却を行なっても良い。

本例の冷却工程は、型の転写面の中心部の温度が縁の温度に達しないタイミング（図７のｔ２）、すなわち転写面上の温度が定常状態になる前（図７のＴ２）のタイミングで、冷却を開始している。一般的に、形成された光学ガラス素子の厚肉部は薄肉部に比べて熱がとれにくい。しかし、本例のように、熱のとれにくい光学ガラス素子の厚肉部を低い温度（例えば薄肉部との温度差が−１５℃となる温度）に抑えれば、それだけ短時間で光学ガラス素子の厚肉部から熱をとることができるようになり、この冷却時間も従来と比べて大幅に短縮できるようになる。また、上述したタイミングで冷却を開始すると、所定時間後（図７のｔ３）に型の転写面の中心部と縁の温度が逆転する。

本例では、このタイミング（つまり、型の転写面の温度が均一になるタイミング）でプレス力を解除する。
こうして、金型の温度が取り出し可能な温度まで冷却されると、排出シャッターから金型が取り出され、金型内から、成形された光学ガラス素子を取り出すことができる。

図８は、金型の組み合わせ例である。
同図には、二つの組み合わせ例が示されており、同図（ａ）は、上型に凸形状の転写面をもつ断熱層付き型を使用し、下型に凹形状の転写面をもつ断熱層付き型を使用した金型の構成例である。また、同図（ｂ）は、上型に曲率半径が比較的大きな凹形状の転写面をもつ断熱層付き型を使用し、下型に曲率半径が比較的小さな凹形状の転写面をもつ断熱層付き型を使用した金型の構成例である。

なお、上記構成以外にも凸形状の転写面をもつ断熱層付き型を上型及び下型に使用したり、断熱層のない型と上記断熱層付きの型を組み合わせてもよい。

本発明の熱間プレス成形装置の構成例である。 熱源に平面状のヒータを用いた場合の構成例である。 熱源に棒状ヒータを用いた場合の構成例である。 型の転写面が凹形状である場合の断熱層の形状を示した例である。 型の転写面が凸形状である場合の断熱層の形状を示した例である。 断熱層付きの型を底面から加熱した場合の転写面への熱の広がりを示した図である。 図１の熱間プレス成形装置でガラスしたときの成形時間と転写面上の温度との関係を示したグラフである。 金型の組み合わせ例である。

符号の説明

１ 熱間プレス成形装置
２ チャンバ
３ 金型
４ ガラス材料
５ プレス機構
６−１、６−２ 加熱装置
７−１ 窒素流入口７−１
７−２ 排出口
８−１ 鍔
８−２ カバープレート
８−３ 吊具
９−１、９−２ シリンダ
１０−１ 供給シャッター
１０−２ 排出シャッター
１１−１、１１−２ テーブル構造
１２−１、１２−２ コネクタ

Claims (9)

1. ガラス材料を軟化し、軟化した該ガラス材料を金型の転写面に押し当てて変形させることにより前記ガラス材料を前記転写面によって形成される光学ガラス素子の形状に成形する熱間プレス成形装置であって、
   前記光学ガラス素子の薄肉部の形状を形成する前記金型の転写面から前記光学ガラス素子の薄肉部と隣り合う該光学ガラス素子の厚肉部の形状を形成する前記金型の転写面に向けて順に熱を到達させる断熱層付き金型と、
   前記金型を加熱して該金型内の前記ガラス材料を軟化させる加熱手段と、
   を有することを特徴とする熱間プレス成形装置。
2. 前記断熱層付き金型は、断熱部材が埋め込まれた断熱層または気体の断熱層が一部に構成されており、これらの断熱層の位置及び形状により、前記加熱手段により加熱された前記金型の転写面への熱の到達順序が調節される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱間プレス成形装置。
3. 前記金型の転写面が前記金型の底面から加熱される前記断熱層付き金型において、
   前記金型の転写面が凹形状の場合、該転写面に対応する底面には、該底面から前記転写面方向へ凸形状の断熱層が構成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の熱間プレス成形装置。
4. 前記金型の転写面が前記金型の底面から加熱される前記断熱層付き金型において、
   前記金型の転写面が凸形状の場合、該転写面と該転写面に対応する底面との間の外周側面に、内部方向へ向けた前記断熱層が構成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の熱間プレス成形装置。
5. 前記断熱層は、溝または孔が空気で満たされた構造をとる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の熱間プレス成形装置。
6. 前記加熱手段は、
   前記金型の薄肉部が所定温度に達するまで前記金型を加熱して該金型内のガラス材料を軟化させ、前記厚肉部の温度が前記薄肉部の温度に達する前に前記ガラス材料を冷却し始める、
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱間プレス成形装置。
7. 前記加熱手段は、
   前記金型と接触して熱源からの熱を該金型に伝導する接触面と、
   前記接触面以外からの熱漏れを防ぐ断熱手段と、
   を更に有する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の熱間プレス成形装置。
8. ガラス材料を軟化し、軟化した該ガラス材料を金型の転写面に押し当てて変形させることにより前記ガラス材料を前記転写面によって形成される光学ガラス素子の形状に成形する熱間プレス成形方法であって、
   前記光学ガラス素子の薄肉部の形状を形成する前記金型の転写面から前記光学ガラス素子の薄肉部と隣り合う該光学ガラス素子の厚肉部の形状を形成する前記金型の転写面に向けて順に熱が到達する断熱層付き金型を成形室内にセットし、
   前記金型を予め決められた方向から加熱し、
   前記光学ガラス素子の薄肉部が所定温度に達すると、加熱により軟化した前記ガラス材料を前記金型の転写面に押し当てて変形させる、
   ことを特徴とする熱間プレス成形方法。
9. 前記軟化したガラス材料を前記金型の転写面に押し当てて変形させた後、
   前記厚肉部の温度が前記薄肉部の温度に達する前に前記ガラス材料を冷却し始める、
   ことを特徴とする請求項８に記載の熱間プレス成形方法。