JP2007112010A - 熱可塑性素材の成形方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】型ブロックの熱容量を小さくすることで成形サイクルタイムの短縮化を図り、また、成形される成形品の中心肉厚のバラツキを抑制する。
【解決手段】成形装置１００は、ガラス素材５を挟んで対向する一対の上下型２，３と該上下型２，３が嵌挿されるスリーブ４を含む金型ブロック１を、挟持可能かつ加熱可能に夫々対をなして対向配置された上下ヒータブロック２０，２２と、該上下ヒータブロック２０，２２を対向方向に個別に移動させるエアシリンダ２４とを備えている。そして、夫々で対をなす上下ヒータブロック（２０₂，２２₂），（２０₃，２２₃）の双方に、該上下ヒータブロック（２０₂，２２₂），（２０₃，２２₃）間の距離を規制する規制部材２７、２８を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガラスやプラスチック等の熱可塑性素材を加熱軟化し、型成形により成形品を得る熱可塑性素材の成形方法及び装置に関する。

この種、熱可塑性素材の成形技術として、従来から、対向配置された１対の型部材と、これを摺動保持する胴型が用いられているが、高い形状精度と面精度を有する光学素子を得るためには、光学機能面の光軸ずれや相対的な傾きを高精度に設定して成形する必要がある。

これに対し、例えば特許文献１には、胴型ホルダー（ステンレス製）の熱収縮量をレンズ素材の熱収縮量よりも大きく設定して、成形レンズの厚さや面精度を高精度に保有可能とした技術が開示されている。すなわち、この特許文献１では、レンズ素材を押圧成形の際、上型が胴型ホルダーの上面に当接した時点で、上型の加圧を維持したまま冷却を開始することで、冷却時の温度降下により胴型ホルダーの押圧方向の収縮量がレンズの同方向の収縮量より大きくなる。これにより、成形過程において、常にレンズ素材に上型の加圧力が作用するようにして、高精度のレンズ面形状、レンズ厚さを得ることができるというものである。
特公平６−４９５８０公報（第３頁、図１―図２）

しかしながら、特許文献１では、ステンレス製の胴型ホルダーを用いているため、その分、成形型全体の熱容量が大きくなり、加熱、冷却にかなりの時間を要する。また、胴型ホルダーが金型セットと一体で用いられていることから、胴型ホルダーが金型セットと同数必要となり、製造コストが高くなるという課題があった。

更に、ガラス素材の線膨張係数の違いや成形されるレンズ形状によっては、レンズ中心厚の精度にバラツキが発生するおそれがあった。すなわち、胴型ホルダーの線膨張係数とガラスの線膨張係数との差の程度によっては、押圧成形の際、上型が胴型ホルダーの上面に当接せずに微妙に隙間ができることがある。これにより、レンズ中心厚の精度にバラツキが発生する。

本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、型ブロックの熱容量を小さくすることで成形サイクルタイムの短縮化を図り、また、成形される成形品の中心肉厚のバラツキを抑制することのできる熱可塑性素材の成形方法及び装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
熱可塑性素材を挟んで対向する一対の成形型と該一対の成形型が嵌挿されるスリーブとを含む型ブロックを、挟持可能かつ加熱可能に夫々対をなして対向配置された加圧用の伝熱部材及び冷却用の伝熱部材と、該加圧用と冷却用の伝熱部材を対向方向に個別に移動させる駆動手段と、を備えた熱可塑性素材の成形装置において、
前記加圧用の伝熱部材間、及び前記冷却用の伝熱部材間の少なくとも一方に、前記伝熱部材間の距離を規制する規制部材を設けたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の熱可塑性素材の成形装置において、
前記規制部材を、対をなして対向配置された伝熱部材の一方側に固定したことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の熱可塑性素材の成形装置において、
前記加圧用の伝熱部材間、及び前記冷却用の伝熱部材間の双方に夫々規制部材を設け、該夫々の規制部材の材質を異ならせたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、
熱可塑性素材を挟んだ型ブロックを、工程順に夫々対をなして対向配置された伝熱部材間に順次挟持し、加熱加圧して成形する熱可塑性素材の成形方法において、
前記伝熱部材を対向方向に移動させて前記型ブロックを順次加圧、冷却する際、
前記伝熱部材が、該伝熱部材間に設けられた規制部材に当接した時点で該伝熱部材の対向方向への移動を停止し、その停止位置にて成形品の中心肉厚を決定するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、型ブロックを挟持可能かつ加熱可能に夫々対をなして対向配置された加圧用の伝熱部材及び冷却用の伝熱部材のうち、少なくとも一方の伝熱部材間に、該伝熱部材間の距離を規制する規制部材を設けたので、型ブロックのスリーブ保持用のスリーブホルダーを不要とし、型ブロックの熱容量を小さくして成形サイクルタイムの短縮化を図ることができる。また、前記規制部材により、成形された成形品の中心肉厚のバラツキを抑制することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の成形装置１００の構成を示す図であり、図２は、成形装置１００に供される金型ブロック１の構成を示す図である。

図１において、本実施の形態の成形装置１００は、筐体１１で覆われた成形室１２を有している。この成形室１２は、該成形室１２内に搬入等される部材の酸化防止のため、酸素濃度が５０ｐｐｍ以下になるように不活性ガスで置換されている。また、筐体１１には、後述する金型ブロック１の搬送方向の前端側と後端側に、該金型ブロック１を載置するための準備台１３、１３'と、金型ブロック１を成形室１２に搬入する時、使用するシャッタ１４、及び成形室１２から搬出する時、使用するシャッタ１５が開閉自在に設けられている。そして、成形室１２内には、金型ブロック１を加熱する加熱部１６、押圧成形するプレス部１７、及び室温まで冷却する冷却部１８が設けられている。

これら加熱部１６、プレス部１７、冷却部１８の夫々の上部には、上プレス板１９₁，１９₂，１９₃と、伝熱部材としての上ヒータブロック２０₁，２０₂，２０₃が夫々対をなして設けられている。これら上プレス板１９と上ヒータブロック２０は、例えば一体的に密接され、夫々プレス軸２３₁，２３₂，２３₃を介して、駆動手段としてのエアシリンダ２４₁，２４₂，２４₃により、個別に昇降自在に支持されている。このプレス軸２３は、図示しない直進ガイドに沿って上下方向に移動自在に配置されている。

一方、加熱部１６、プレス部１７、冷却部１８の夫々の下部には、下プレス板２１₁，２１₂，２１₃が設けられ、更に該下プレス板２１の下面には、伝熱部材としての下ヒータブロック２２₁，２２₂，２２₃が設けられている。これら下プレス板２１と下ヒータブロック２２は、一体的に密接されている。

そして、プレス軸２３が降下して金型ブロック１を下プレス板２１との間で挟持することで、該金型ブロック１を加熱、加圧したり、冷却したりすることができる。なお、上下のプレス板１９、２１には、不図示の温度センサと制御回路が夫々接続されていて、これら上下のプレス板１９、２１は独立して温度制御が行われるようになっている。

本実施の形態では、プレス部１７と冷却部１８の下プレス板２１₂，２１₃に、夫々規制部材２７，２８が設けられている。この規制部材２７，２８は、プレス軸２３₂，２３₃の下降に伴う上プレス板１９₂，１９₃の夫々の下降位置を規制している。この規制部材２７，２８は、加熱部１６には設けられていないが、その理由は、加熱部１６では、金型ブロック１を所定温度に加熱すれば良く、該金型ブロック１の上下方向の正確な位置決めは不要だからである。また、冷却部１８の規制部材２８の高さ寸法は、プレス部１７の規制部材２７の高さ寸法よりも短く設定されている。その理由については後述する。

また、本実施形態では、プレス部１７と冷却部１８に規制部材２７，２８を設けた場合について説明したが、これに限らず、例えばプレス部１７のみに規制部材２７を設けても良く、また冷却部１８のみに規制部材２８を設けても良い。更に、後述するように、プレス部１７と冷却部１８とでの加熱温度が異なることから、規制部材２７、２８として、熱膨張係数を考慮して異なる材質のものを用いることもできる。

金型ブロック（型ブロック）１は、熱可塑性素材（ガラス、ポリエチレン、ポリカーボネイト等）としての例えばガラス素材５を挟んで対向する一対の上型２と下型３、及びスリーブ４を有している。上型２及び下型３は、スリーブ４の内部で、それぞれの成形面２ａおよび成形面３ａが対向するように当該スリーブ４の両端側から嵌挿され、上型２はスリーブ４の軸方向に摺動自在となっている。ガラス素材５は、上型２の成形面２ａと下型３の成形面３ａとの間に配置されている。

上型２及び下型３は、例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）等の超硬合金を研磨したものを用いている。また、ガラス素材５は、低融点光学ガラス（ガラス転移点Ｔｇ：５６０℃）であって、φ８．４ｍｍの略球体形状の研磨ガラス材を使用している。

なお、金型ブロック１の成形室１２内への搬入は、不図示のロボットアームによって行われる。また、成形室１２内での金型ブロック１の移動は、搬送アーム２５によって行われる。更に、図示しないが、搬出側の準備台１３'には、冷却水が内部を循環する水路が設けられている。

本実施の形態によれば、プレス部１７と冷却部１８に、前述した規制部材２７，２８を夫々設けたことで、上型２の押込み位置を規制することができるため、レンズの中心肉厚のバラツキを抑制することができる。また、この規制部材２７，２８により、従来から用いられていたスリーブホルダーが不要となり、型ブロックの熱容量を小さくして成形サイクルタイムの短縮化を図ることができる。

次に、図３は、図１のＡ―Ａ断面図を示しており、図４は、図３のＢ−Ｂ矢視図を示している。
これらの図３及び図４において、規制部材２７は、三角形の３つの頂点に配置された３個の規制部材２７₁，２７₂，２７₃を有し、この規制部材２７が矩形状の下プレス板２１₂から立設されている。規制部材２８₁，２８₂，２８₃についても同様である。これらの規制部材２７、２８の上端面に上プレス板１９の下面が当接して、該上プレス板１９の下降位置が規制される。これにより、上型２の押込み量が決定される。

また、搬送アーム２５は、クランク形状に屈曲された屈曲部２５₁と、これに連接する水平部２５₂，２５₃を有していて、この屈曲部２５₁は、成形室１２内でガラス素材５を移動させるときに、該搬送アーム２５が規制部材２７₃，２８₃と干渉しないように形成したものである。なお、この搬送アーム２５は、金型ブロック１の搬送方向と略平行に移動して該金型ブロック１を移動させるようにしている。

そして、加熱部１６では、上下のヒータブロック２０、２２により、上下のプレス板１９、２１を、ガラス素材５のガラス転移点であるＴｇ：５６０℃以上の温度に加熱される。そして、エアシリンダ２４の昇降動作により、金型ブロック１の挟持、加圧、解放等の動作が行われる。

プレス部１７では、上下のプレス板１９₂，２１₂を、ガラス素材５の屈伏点であるＡｔ：５９０℃以上の温度に設定される。そして、エアシリンダ２４の昇降動作により、金型ブロック１の挟持、挟圧、解放等の動作が行われる。

冷却部１８では、上下のプレス板１９₃，２１₃は、ガラス素材５のガラス転移点であるＴｇ：５６０℃以下の温度に設定される。そして、エアシリンダ２４の昇降動作により、金型ブロック１の挟持、挟圧、解放等の動作が行われる。

次に、本実施形態の作用について説明する。
成形作業は、金型ブロック１を、加熱部１６、プレス部１７、及び冷却部１８の下プレス板２１₁，２１₂，２１₃上を搬送アーム２５によって搬送しながら、エアシリンダ２４₁，２４₂，２４₃によって上プレス板１９₁，１９₂，１９₃を下降させ、金型ブロック１を挟持しつつ、順次各工程の温度と圧力を付与して成形が進められる。

まず、成形室１２外の搬入側の準備台１３に金型ブロック１が載置される。次いで、搬入側のシャッタ１４が開き、前記の金型ブロック１は、不図示のロボットアームによって成形室１２内に搬入され、加熱部１６の下プレス板２１₁上に位置決め移動される。

その後、この加熱部１６において、金型ブロック１は、エアシリンダ２４₁の駆動により上プレス板１９₁と下プレス板２１₁との間に挟持され、その状態で所定時間（略１８０ｓｅｃ）加熱される。これにより、金型ブロック１はガラス転移点以上の温度まで上昇し、内部のガラス素材５が軟化する。ガラス素材５が軟化した後、エアシリンダ２４₁により上プレス板１９₁を上昇させ、金型ブロック１を解放する。

次いで、この金型ブロック１は、搬送アーム２５によって次工程であるプレス部１７の下プレス板２１₂上に位置決め移動される。下プレス板２１₂上に載置された金型ブロック１は、エアシリンダ２４₂の駆動により上プレス板１９₂と下プレス板２１₂との間に挟持され、屈伏点近傍の温度にまで加熱されて温度が安定した後（略９０ｓｅｃ経過後）、成形の圧力２２０Ｋｇｆにて略９０ｓｅｃ間、プレスが行われる。

このときのプレス時間は、上プレス板１９₂が規制部材２７の上端面に確実に当て付くまでの時間である。本実施形態では、この時の規制部材２７の高さ寸法（図１の上下方向の長さ）は、成形される光学素子のレンズ中心厚＋０．００２ｍｍ以上に設定されている。これにより、ガラス素材５は押圧されて変形成形される。こうして、ガラス素材５が変形成形された後、エアシリンダ２４₂により上プレス板１９₂を上昇させ、金型ブロック１を解放する。

次いで、このプレス後、金型ブロック１は、搬送アーム２５によって次工程である冷却部１８の下プレス板２１₃上に位置決め移動される。下プレス板２１₃上に載置された金型ブロック１は、エアシリンダ２４₃の駆動により上プレス板１９₃と下プレス板２１₃との間に挟持され、加圧力５０Ｋｇｆにて略１８０ｓｅｃ加圧しながら、金型ブロック１を所定温度に冷却してその温度に安定化させる。

また、本実施形態では、この時の規制部材２８の高さ寸法（図１の上下方向の長さ）は、成形される光学素子のレンズ中心肉厚に合わせて設定されている。すなわち、冷却部１８の規制部材２８の高さ寸法は、プレス部１７の規制部材２７の高さ寸法よりも短く設定されている。これは、ガラス素材５を冷却する途中で加圧することで、所定中心肉厚の光学素子を得るためである。このように、冷却工程時に、上プレス板１９₃が規制部材２８に当接した時点でエアシリンダ２４₃の移動を停止することで、成形品である例えばレンズの中心肉厚のバラツキを抑制して、高精度なレンズを得ることができる。

このように、光学素子の中心肉厚を変えるためには、規制部材２７、２８の高さ寸法や材質を変更することで対応することができる。なお、規制部材２７、２８の材質を変更することは、その線膨張係数を変更することになる。このため、規制部材２７、２８として、同じ材質のものを用いても良いし、また、プレス部１７と冷却部１８とでの温度は異なることから、異なる材質の規制部材２７、２８を用いることもできる。

この冷却後、エアシリンダ２４₃によって上プレス板１９₃を上昇させ、金型ブロック１を解放する。更に、搬出側のシャッタ１５を開き、解放された金型ブロック１を搬送アーム２５によって成形室１２の外部の準備台１３'に放出する。こうして、ガラス素材５をプレス成形してできたレンズ形状は、外径φ１１．５ｍｍ、中心厚１．１ｍｍの凹メニスカスレンズである。

以上説明した本実施形態によれば、金型ブロック１の１セット当り約５０％の熱容量を削減することができ、加熱・冷却時間を短縮することができる。すなわち、金型ブロック１の１セット当りの熱容量は、金型ブロック１（上型２＋下型３＋スリーブ４）の重量を１２２ｇとした場合、約２６Ｊ／℃であり、一方、重量約５０ｇのスリーブホルダー（ステンレス製（ＳＵＳ材））を用いた場合、その熱容量は約２５Ｊ／℃であるから、スリーブホルダーを削除した場合は、金型ブロック１の１セット当り約５０％の熱容量を削減することができる。これにより、スリーブホルダー（ＳＵＳ材）を用いた場合と、用いない場合とを比較して、用いない場合の方が、加熱工程で３０ｓｅｃ、プレス工程で１０ｓｅｃ、冷却工程で１０ｓｅｃ短縮することができた。このように、成形サイクルタイムが短縮化されることで、副次的効果として省エネルギー化が図られる。

なお、スリーブホルダーとは、スリーブ４の外側に配置され、上型２による押込み位置を規制するための部材をいう。また、ＳＵＳ材は熱容量が大きいため、加熱・冷却に時間がかかることが知られている。
（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態の成形装置１００の構成を示す図であり、図６は、図５のＣ―Ｃ断面図を示しており、図７は、図６のＤ−Ｄ矢視図を示している。なお、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には、同一の符号を付して可能な範囲で説明を省略する。

図５において、第１の実施の形態とは、規制部材２７、２８が夫々上プレス板１９₂，１９₃に取付けられている点が相違している。
この場合、図６及び図７に示すように、搬送アーム２５は略真直に延びる水平部２５₁を有している。この搬送アーム２５により、成形室１２内でガラス素材５を移動させるときに、該搬送アーム２５が規制部材２７、２８と干渉することはない。

本実施の形態においても、プレス部１７と冷却部１８に夫々規制部材２７，２８を設けた場合について説明したが、これに限らず、例えばプレス部１７のみに規制部材２７を設けても良く、また冷却部１８のみに規制部材２８を設けても良い。また、プレス部１７と冷却部１８とでの加熱温度が異なることから、規制部材２７、２８として、熱膨張係数を考慮して異なる材質のものを用いることもできる。更に、冷却部１８の規制部材２８の高さ寸法は、プレス部１７の規制部材２７の高さ寸法よりも短く設定されている。

本実施の形態によれば、搬送アーム２５として簡単な構成のものを用いることができる。その他の効果は、第１の実施の形態と同様である。

第１の実施の形態の成形装置の全体構成を示す図である。 金型ブロックの構成を示す図である。 図１のＡ−Ａ方向に沿う断面図である。 図３のＢ−Ｂ方向に沿う矢視図である。 第２の実施の形態の成形装置の全体構成を示す図である。 図５のＣ−Ｃ方向に沿う断面図である。 図６のＤ−Ｄ方向に沿う矢視図である。

符号の説明

１ 金型ブロック
２ 上型
２ａ 成形面
３ 下型
３ａ 成形面
４ スリーブ
５ ガラス素材
１１ 筐体
１２ 成形室
１３ 準備台
１３' 準備台
１４ シャッタ
１５ シャッタ
１６ 加熱部
１７ プレス部
１８ 冷却部
１９₁，１９₂，１９₃ 上プレス板
２０₁，２０₂，２０₃ 上ヒータブロック
２１₁，２１₂，２１₃ 下プレス板
２２₁，２２₂，２２₃ 下ヒータブロック
２３₁，２３₂，２３₃ プレス軸
２４₁，２４₂，２４₃ エアシリンダ
２５ 搬送アーム
２５₁ 屈曲部
２５₂，２５₃ 水平部
２７₁，２７₂，２７₃ 規制部材
２８₁，２８₂，２８₃ 規制部材
１００ 成形装置

Claims (4)

1. 熱可塑性素材を挟んで対向する一対の成形型と該一対の成形型が嵌挿されるスリーブとを含む型ブロックを、挟持可能かつ加熱可能に夫々対をなして対向配置された加圧用の伝熱部材及び冷却用の伝熱部材と、該加圧用と冷却用の伝熱部材を対向方向に個別に移動させる駆動手段と、を備えた熱可塑性素材の成形装置において、
   前記加圧用の伝熱部材間、及び前記冷却用の伝熱部材間の少なくとも一方に、前記伝熱部材間の距離を規制する規制部材を設けた、
   ことを特徴とする熱可塑性素材の成形装置。
2. 前記規制部材を、対をなして対向配置された前記伝熱部材の一方側に固定した、
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性素材の成形装置。
3. 前記加圧用の伝熱部材間、及び前記冷却用の伝熱部材間の双方に夫々規制部材を設け、該夫々の規制部材の材質を異ならせた、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱可塑性素材の成形装置。
4. 熱可塑性素材を挟んだ型ブロックを、工程順に夫々対をなして対向配置された伝熱部材間に順次挟持し、加熱加圧して成形する熱可塑性素材の成形方法において、
   前記伝熱部材を対向方向に移動させて前記型ブロックを順次加圧、冷却する際、
   前記伝熱部材が、該伝熱部材間に設けられた規制部材に当接した時点で該伝熱部材の対向方向への移動を停止し、その停止位置にて成形品の中心肉厚を決定するようにした、
   ことを特徴とする熱可塑性素材の成形方法。

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