JP2006282472A - ガラスレンズ成形装置およびガラスレンズ成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形される光学素子の偏芯精度を保証しつつ、タクトタイムを短縮することが可能なガラスレンズ成形装置を提供すること。
【解決手段】ガラスレンズ成形装置２０は、カートリッジヒータを内蔵しており、ガラスレンズ３Ａを成形するための上，下一対の型１，２と、該型の外周に嵌入されるスリーブ４と、スリーブ４を外周側から加熱する赤外線ランプヒータ９とを有しており、スリーブ４には冷却用不活性ガスを流通させるための複数の連通穴４ｂが設けられる。上，下型による押圧成形後の冷却工程において、固化するまでの期間は、挿通穴４ｂに所定流量の冷却用不活性ガスを流通させてスリーブと型との温度差を所定の範囲にコントロールし、スリーブと型との嵌合隙間を適切な状態に維持し、ガラスレンズ３Ａの偏心精度を上げる。最後の急速冷却期間においては、不活性ガスの流量を増加し、タクトタイムを短縮する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス素材から光学素子を成形するガラスレンズ成形装置、および、そのガラスレンズ成形方法に関する。

従来、ガラス素材から光学素子（ガラスレンズ）を成形する成形方法であって、スリーブと相対する一対の金型によりガラス素子を成形するガラスレンズ成形方法に関して、特許文献１に開示されたものは、図５の主要構成図に示すガラスレンズ成形装置１００において、スリーブ１０３内でガラス素材を加熱し、加熱軟化したガラス素材を金型である上型１０１と下型１０２により押圧成形した後、スリーブ１０３に設けた流孔１０３ａ，１０３ｃにガス供給部１０６，１０７より不活性ガスを供給し、その不活性ガスを径方向の冷却孔１０３ｂ，１０３ｄから上型１０１、下型１０２の側面およびガラス素材の側面に吹き付け、上型１０１と下型１０２およびガラス素材を冷却する方法を提案している。
特許文献１は、特開平１０−２８７４３４号公報である。

特許文献１に開示のガラスレンズ成型方法では、スリーブ１０３の外周から上型１０１，下型１０２とスリーブ１０３を加熱した後にタクトタイム短縮の目的で上，下型１０１，１０２とスリーブ１０３を同時に冷却しているがスリーブ１０３が樽型に膨張したままで上記金型を主軸側から冷却することになり、上型１０１，下型１０２とスリーブ１０３の隙間が広がってしまい、想定した偏芯精度が得られないおそれがあった。また、スリーブ１０３の冷却がその冷却孔の形状から十分に行えず、タクトタイムの短縮が難しかった。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、成形される光学素子の偏芯精度を保証しつつ、タクトタイムを短縮することが可能なガラスレンズ成形装置、または、ガラスレンズ成型方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載のガラスレンズ成形装置は、ガラス素材から光学素子を成形する成形装置において、上記ガラス素材を押圧して上記光学素子を得るための一対の型と、筒状の部材を形成し、上記一対の型を囲んで、上記一対の型と嵌合し、上記一対の型を内部に保持し、冷却用流体移動のために一端面近傍から他の端面近傍まで上記一対の型の移動方向に貫通した連通穴が形成されたスリーブ部材とを有する。

本発明の請求項２に記載のガラスレンズ成形装置は、請求項１に記載のガラスレンズ成形装置において、上記スリーブ部材の上記連通穴は、複数である。

本発明の請求項３に記載のガラスレンズ成形装置は、請求項１に記載のガラスレンズ成形装置において、上記スリーブ部材は、円筒形状である。

本発明の請求項４に記載のガラスレンズ成形方法は、ガラス素材を押圧して上記光学素子を得るための一対の型と、筒状の部材を形成し、上記一対の型を囲んで、上記一対の型と嵌合し、上記一対の型を内部に保持し、冷却用流体移動のために一端面近傍から他の端面近傍まで上記一対の型の移動方向に貫通した連通穴が形成されたスリーブ部材と、上記１対の型を加熱する第１のヒータと、上記スリーブ部材を加熱する第二のヒータとを用いるガラスレンズ成形方法てあって、上記第一ヒータ、第二のヒータにより上記ガラス素材を流動状態にまで加熱する加熱工程と、上記流動状態の上記ガラス素材を押圧成形するために上記一対の型を閉じる閉じ工程と、上記第二のヒータの加熱温度を降下させ、上記スリーブ部材を冷却するスリーブ冷却工程と、上記連通穴に上記冷却用流体を流動させ、上記スリーブ部材をさらに冷却し、上記一対の型の温度より所定温度差だけ低い温度とする冷却工程と、上記一対の型と上記スリーブ部材とを上記所定温度差で、上記ガラス素材の転移点の温度以下まで徐冷する徐冷工程と、上記一対の型と上記スリーブとを急速冷却する急速冷却工程とを有する。

本発明によれば、ガラス素材から成形される光学素子の偏芯精度を保証しつつ、タクトタイムを短縮することが可能なガラスレンズ成形装置、または、ガラスレンズ成型方法を提供することができる。

以下、図を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるガラスレンズ成形装置の主要部を示す断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図であって、上記ガラスレンズ成形装置に使用されるスリーブの断面を示す。図３は、上記ガラスレンズ成形装置のための制御装置のブロック構成図である。図４は、上記ガラスレンズ成形装置の成形時における型温度Ｔｍ，スリーブ温度Ｔｓ，成形圧力Ｐｍ，不活性ガス流量Ｑｇの経過時間に対する変化を示す線図である。

本実施形態のガラスレンズ成形装置２０は、ガラス素材であるガラスブランク３を加熱軟化させ、一対の成形型で押圧し、冷却後に上記一対の成形型間を開くことで所望の面形状を有する光学素子であるガラスレンズ３Ａを得るガラスレンズ成形方法を適用する装置である。

このガラスレンズ成形装置２０は、主要構成部材として図１に示すように一対の成形型である上型１，下型２と、上型１，下型２を覆うスリーブ部材であるスリーブ４と、上型１を支持する上軸５と、下型２を支持する下軸６と、上型１，下型２，スリーブ４の周囲に配されるスリーブ加熱用熱源の第二のヒータである螺旋状の赤外線ランプヒータもしくは複数の赤外線ランプヒータ９と、上軸５を上下方向に移動させるサーボモータ、または、エアーシリンダからなる駆動装置１０と、図示しない不活性ガス供給部からの冷却用流体である不活性ガスをスリーブ４に送出するための不活性ガス送出部１１と、さらに、図示しない部材として開閉可能な密閉炉および本成形装置２０を支持するフレームを有してなる。

上型１，下型２は、ガラスブランク３からガラスレンズ３Ａを成形するに足る温度領域で十分な強度を有する超硬合金のタングステンカーバイトを適用する。上型１の凹状成形面１ａと下型２の凹状成形面２ａは、それぞれ鏡面になっている。また、上型１，下型２内部には、それぞれ型加熱用熱源の第一のヒータであるカートリッジヒータ７，８、および、型温度検出用の熱電対（図示せず）が埋め込まれている。

なお、上型１の凹状成形面１ａと下型２の凹状成形面２ａのそれぞれの内部には、カートリッジヒータ７，８の先端部との間に空隙部１ｂ，２ｂが設けられている。この空隙部１ｂ，２ｂは、凹状成形面１ａ，２ａの中央部が温度分布上、周辺部に対して高温になるのを防ぎ、ガラスブランク３からの揮発成分発生を防止するための空隙部である。

上軸５は、駆動装置１０によって駆動され、上型１を下方向Ｄ1 、または、上方向Ｄ2 に移動させる。また、上軸５は上記密閉炉を連動して上下移動させるが、所定量降下して密閉炉がフレームのベースに当接した後は上軸５の下降動作と密閉炉とは連動しない状態となる。

下軸６は、ガラスレンズ成形装置２０のフレームに固定支持されている。

なお、上軸，下軸５，６には、それぞれ型冷却用の冷媒である純水が流通可能な冷却経路（図示せず）が設けられている。

カートリッジヒータ７，８は、上型１，下型２を熱伝導により加熱する。かつ、該型を介してガラスブランク３が加熱される。

赤外線ランプヒータ９は、上記密閉炉の内側壁に支持されており、スリーブ４の外周に沿って配置されており、スリーブ４の外周を加熱し、スリーブ４を介して上型１，下型２，ガラスブランク３を加熱、保温する。

カートリッジヒータ７，８や赤外線ランプヒータ９および上記冷媒は、後述するように上記熱電対によって検出される型温度情報および各工程情報に基づいてガラスレンズ成形装置２０の制御部であるＣＰＵ２１（図３）により制御され、後述する各工程におけるガラスブランク３および上，下型１，２，スリーブ４の温度制御が行われる。

スリーブ４は、超硬合金のセラミックス材料であるタングステンカーバイトで形成され、上，下型１，２と等しい線膨張係数を有する円筒形状の部材である。スリーブ４は、上方部が上型１に固着され、かつ、内周４ａが上型１の外周に精密嵌合（隙間が６μｍまたはそれ以下の極めて少ない状態）し、さらに、下型２の外周にスライド可能に精密嵌合（隙間が６μｍ程度の極めて少ない状態）している。従って、スリーブ４は、上型１に対する下型２の径方向の位置ずれの発生を防ぎ、同時に赤外線ランプヒータ９による照射熱を上型１，下型２に効率よく伝達することができる。

また、スリーブ４には、図２に示すようにそれぞれが軸方向に直線状に上部開口４ｃ，下部開口４ｄを連通し、貫通する穴であって、円筒周上に等間隔で配される４個以上の連通穴４ｂが設けられる。連通穴４ｂは、本実施形態では８個が配され、穴径は、４ｍｍとする。この連通穴４ｂには、スリーブ４を冷却するために不活性ガスが不活性ガス送出部１１により上部開口４ｃから送り込まれ、下部開口４ｄから排出される。なお、開口部４ｃ，４ｄは、スリーブ４を冷却するための開口であるのでスリーブ端面近傍にあればよい。

上記密閉炉は、上型１，下型２，スリーブ４の周囲空間を密閉、または、開放可能な炉であって、成形中、または、加熱冷却中、密閉状態にあるとき、真空または非酸化ガス雰囲気で充満できるように上型１，上記フレームとの接触部にはシールが施されている。なお、上記密閉炉には、ガスの排気口と導入口とが設けてあり、成形中や準備中、該排気口，導入口を介して炉内は真空排気、さらに、不活性ガス導入が可能である。

ガラスレンズ３Ａは、例えば、低Ｔｇ光学ガラスであるガラスブランク３より成形されるガラス成形体であって、外径１３ｍｍのガラスレンズとする。ガラスブランク３は、予め研削研磨でガラスレンズ３Ａの近似形状に加工されている。

ガラスレンズ成形装置２０のための制御装置は、図３に示すように本成形装置全体のコントロールを司る制御部としてのＣＰＵ２１と、ＣＰＵ２１によって制御される駆動装置１０のアクチュエータ部と、ＣＰＵ２１によって制御され、それぞれが独立したＰＩＤ制御要素を構成するものであって、上，下型１，２の温度調節のための温度調節部としてのカートリッジ温度調節部２２，２３と、スリーブ４の温度を赤外線ランプヒータ９を介して調節するための赤外線ランプヒータ調節部２４と、スリーブ４の冷却のために不活性ガス送出部１１へのガス供給を電磁弁２６を介して調節するための不活性ガス調節部２５とを有してなる。

これらの各ＰＩＤ制御要素は、成形開始から成形終了までの期間に後述する各工程順によりＣＰＵ２１の制御のもとで上，下型１，２およびスリーブ４を各工程に要求される温度条件を満足するようにコントロールされる。

上述した構成を有するガラスレンズ成形装置２０によりガラスブランク３からガラスレンズ３Ａを成形する工程について、図１，３，４を用いて説明する。

まず、ガラスブランク３をオートローダ（図示せず）によって搬送し、下型２上に載置する。上型１をＤ1 方向に降下させ、ガラスブランク３の表面近傍に上型１の凹状成形面１ａが到達したとき、上型１を一旦停止させ、密閉炉を密閉状態とする。そこで、密閉炉内を真空状態とし、不活性ガスで置換する。続いて、ＣＰＵ２１の制御のもとで以下の加熱成形工程に入る。

まず、第一の工程（経過時間ｔ1 までの加熱工程）では、上記密閉炉の不活性ガス置換状態でカートリッジ温度調節部２２，２３および赤外線ランプヒータ調節部２４を介してカートリッジヒータ７，８や赤外線ランプヒータ９への通電を行い、上型１，下型２，スリーブ４、および、ガラスブランク３の加熱を開始する。

時間ｔ1 にて図４に示すように上，下型１，２の型温度Ｔｍがねらいの温度（ガラスブランクの転移点Ｔｇを上回る温度、例えば、５５０°Ｃ）に到達後、次の第二の工程（型閉じ工程）に入る。これまでにスリーブ４の温度Ｔｓは、９００°Ｃに到達している。なお、上記第一の工程では、まだ不活性ガスの供給は行わず、成形圧も作用させない。

第二の工程（経過時間ｔ2 までの型閉じ工程）では、上，下型１，２及びスリーブ４を上記加熱状態で上型１をＤ1 方向に再降下させる。

時間ｔ2 にて上型１がガラスブランク３に接触すると、次の第三の工程（時間ｔ2 からｔ3 のスリーブ冷却工程）に入り、凹状成形面１ａ，２ａによるガラスブランク３の押圧が開始される（押圧力１９６０Ｎ）。

この第三の工程である押圧開始時（成形圧力Ｐｍ１９６０Ｎが作用）の時間ｔ2 よりガラスブランク３が所定の厚みになる時間ｔ3 までの間、スリーブ４の温度を設定温度４００°Ｃに徐々に降下させるように赤外線ランプヒータ調節部２４を介して赤外線ランプヒータ９の制御を行う。型温度の設定（設定温度５５０°Ｃ）は変化させない。また、不活性ガスの送入は未だ行わない。なお、上記押圧成形中のガラスブランク３の厚みの測定は、図示しない肉厚センサを用いて検出される。

第三の工程に続いて第四の工程（時間ｔ3 からｔ4 間の型・スリーブ冷却／徐冷工程）に入り、上，下型１，２の冷却を供給電力および型冷却用の冷媒の制御により開始し、同時に不活性ガス送出部１１より不活性ガスをスリーブ４に送出し、不活性ガスによるスリーブ４の冷却を開始する。このときの不活性ガスの流量Ｑｇは、５ｌ／ｍｉｍとする。この冷却工程では、スリーブ４は、上，下型１，２の温度に対して所定の温度差である温度差２０°Ｃだけ低く抑えるように制御される（すなわち、スリーブ４の設定温度は、上，下型１，２に対して−２０°Ｃ）。時間ｔ4 にて成形されたガラスブランク３の温度が転移点Ｔｇ以下に到達し、固化した後、第五の工程（時間ｔ4 以降の急速冷却工程）に入る。なお、時間ｔ4 にて上型１の押圧力を解除する。

第五の工程である時間ｔ4 以降は、型冷却用の冷媒により上，下型１，２のさらなる冷却を行い、同時に不活性ガスのスリーブ４への流量Ｑｇを増やし、５０ｌ／ｍｉｍとしてスリーブ４の急冷を行う。

所定時間経過後、型が酸化しない温度まで冷却したならば、上記密閉炉を開放し、型開きを行って成形されたガラスレンズ３Ａを型から離型し、成形を終了する。

ガラスレンズ成形装置２０により上述した工程に従って実験的にガラスブランク３の加熱成形を行った結果、得られたガラスレンズ３Ａは、光学性能上、欠陥のないものであり、偏心精度もスリーブと型の隙間から計算される最大許容誤差の３／４以内に安定して収まるものであった。ショット上でもスリーブと型とのこじりの発生もなく、１０ショット連続して成形することができた。タクトタイムも従来のスリーブ４への不活性ガスの送出のない工程に比較して３ｍｉｍ程度短くすることができた。

上述したようにガラスレンズ３Ａの偏心精度が改善され、さらに、スリーブのこじりもなく成形できた理由としては、上記第四の工程でスリーブ４に適量の不活性ガスを送出して冷却を行い、スリーブ４の温度を上，下型１，２に対して適度に低い温度差２０°Ｃとなるように制御したことによりスリーブ４の内周４ａと型外周との適切な隙間を維持することができたためと考えられる。

さらに、タクトタイムの短縮も達成できたのは、上記第五の工程で型の急速冷却を行うと同時にスリーブ４にも不活性ガスを多量に流して冷却したため、より早い時間内に冷却を終わらせ、型開きを行うことができたためといえる。

上述したガラスレンズ成形装置２０による成形工程中、上記第四の工程における不活性ガスの流量Ｑｇを１０ｌ／ｍｉｎに増やした状態で成形を行ってみた。この場合のスリーブ４の設定温度は、型との温度差を−３０°Ｃとなる。ガラスレンズ成形の結果、偏心精度は、スリーブと型の隙間から計算される最大許容誤差の２／３以内に収まり、また、タクトタイムも従来のスリーブ４への不活性ガスの送出のない工程に比較して４ｍｉｍ程度短くすることができた。しかし、スリーブと型の間隔の不足によるこじりが原因で中肉不良が１回発生した。この検討から上記第四の工程（冷却／徐冷工程）で流量Ｑｇを５ｌ／ｍｉｎとした上述の実施形態の成形条件が妥当であると考えられる。

さらに、上記第四の工程（冷却／徐冷工程）における制御目標とするスリーブ４の設定温度範囲としては、型に対する温度差として−２°Ｃ〜−５０°Ｃの範囲を適用すれば、一応、成形が可能であることも確認された。

なお、上述した実施形態と比較するために参考的に２，３の従来例のガラス成形装置の構成に基づいた装置を用いてガラスレンズを成形した結果について、以下に説明する。

まず、前述した特許文献１に記載されたガラスレンズ成形装置１００（図５）と同様の成形装置であって、タングステンカーバイトのスリーブを適用したものでガラスレンズを成形した場合、第四の工程に相当する工程で不活性ガスの流量が不足し、結果としてスリーブが型より５°Ｃ程度高い温度になり、型との適切な隙間を維持することができなかった。従って、ガラスレンズの偏心精度にばらつきが生じた。これは冷却のために流入する不活性ガスがスリーブと型との非常に狭い隙間から流出することから十分な不活性ガスの排気が行われないためといえる。但し、タクトタイムを同等であった。

さらに、参考的にスリーブに不活性ガスの挿通穴を設けないガラスレンズ成形装置によりガラスレンズの成形を行ってみた。この場合、偏心精度は、良好なものが得られたがスリーブの締まりすぎによる中肉不良とこじりが発生する頻度が高かった。但し、タクトタイムを同等であった。この場合の問題発生もスリーブと型とを同じ状態で冷却することからその温度差を適切に制御することができないことによる。

上述したように本実施形態のガラスレンズ成形装置２０を用い、上述した成型方法を適用した場合、スリーブ４に複数（少なくとも４つ）の軸方向の連通穴４ｂを設け、成形後の徐冷工程で該穴内に適量の冷却用不活性ガスを流して、スリーブ４を型より早く、かつ、適切な温度差の状態で冷却してスリーブのこじりをなくしてレンズの偏心精度を改善することができ、さらに、固化後には、上記不活性ガスの流量を多くすることにより冷却速度を上げ、タクトタイムの短縮もできる。

また、ガラスレンズ成形装置２０では、スリーブと型の温度差を不活性ガスの流量によって制御することができることからスリーブと型とを異なる材料をを適用した場合（すなわち、型とスリーブの線膨張係数を変えた場合）でも偏心精度の低下やこじりの発生のない状態で成形することができる。また、スリーブと型との嵌合公差を極めて厳しくする必要もなく、設備経費の削減も実現できる。

なお、本実施形態のガラスレンズ成形装置２０では、上型１側を可動型としてが、これに限らず、上型１側を固定型とし、下型２側を可動型として、他は同様な構成を適用することによって同様の効果が得られる。

この発明は、上記各実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記各実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。

例えば、各実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

本発明によるガラスレンズ成形装置、または、ガラスレンズ成型方法は、成形される光学素子の偏芯精度を保証しつつ、タクトタイムの短縮も可能であるガラスレンズ成形装置、または、ガラスレンズ成型方法として利用できる。

本発明の一実施形態であるガラスレンズ成形装置の主要部を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ断面であって、図１のガラスレンズ成形装置に使用されるスリーブの断面を示す。 図１のガラスレンズ成形装置のための制御装置のブロック構成図である。 図１のガラスレンズ成形装置の成形時における型温度Ｔｍ，スリーブ温度Ｔｓ，成形圧力Ｐｍ，不活性ガス流量Ｑｇの経過時間に対する変化を示す線図である。 従来のガラスレンズ成形装置の主要部を示す断面図である。

符号の説明

１ …上型（一対の型）
２ …下型（一対の型）
３ …ガラスブランク（ガラス素材）
３Ａ…ガラスレンズ（光学素子）
４ …スリーブ（スリーブ部材）
４ｂ…連通穴
７，８…カートリッジヒータ（第一のヒータ）
９ …赤外線ランプヒータ（第二のヒータ）

Claims (4)

1. ガラス素材から光学素子を成形する成形装置において、
   上記ガラス素材を押圧して上記光学素子を得るための一対の型と、
   筒状の部材を形成し、上記一対の型を囲んで、上記一対の型と嵌合し、上記一対の型を内部に保持し、冷却用流体移動のために一端面近傍から他の端面近傍まで上記一対の型の移動方向に貫通した連通穴が形成されたスリーブ部材と、
   を有することを特徴とするガラスレンズ成形装置。
2. 上記スリーブ部材の上記連通穴は、複数であることを特徴とする請求項１に記載のガラスレンズ成形装置。
3. 上記スリーブ部材は、円筒形状であることを特徴とする請求項１に記載のガラスレンズ成形装置。
4. ガラス素材を押圧して上記光学素子を得るための一対の型と、筒状の部材を形成し、上記一対の型を囲んで、上記一対の型と嵌合し、上記一対の型を内部に保持し、冷却用流体移動のために一端面近傍から他の端面近傍まで上記一対の型の移動方向に貫通した連通穴が形成されたスリーブ部材と、上記１対の型を加熱する第１のヒータと、上記スリーブ部材を加熱する第二のヒータとを用いるガラスレンズ成形方法てあって、
   上記第一ヒータ、第二のヒータにより上記ガラス素材を流動状態にまで加熱する加熱工程と、
   上記流動状態の上記ガラス素材を押圧成形するために上記一対の型を閉じる閉じ工程と、
   上記第二のヒータの加熱温度を降下させ、上記スリーブ部材を冷却するスリーブ冷却工程と、
   上記連通穴に上記冷却用流体を流動させ、上記スリーブ部材をさらに冷却し、上記一対の型の温度より所定の温度差だけ低い温度とする冷却工程と、
   上記一対の型と上記スリーブ部材とを上記所定の温度差で、上記ガラス素材の転移点の温度以下まで徐冷する徐冷工程と、
   上記一対の型と上記スリーブとを急速冷却する急速冷却工程と、
   を有することを特徴とするガラスレンズ成形方法。

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