JP2007223875A - 成形型、それを備えた成形型組、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チッピングやクラックが発生しにくく、寿命の長い成形型を提供する。
【解決手段】上型１は、柱状のガラス製成形型本体２と、金属製の保護部材３とを備えている。ガラス製成形型本体２の頂面には成形面２ａが形成されている。保護部材３はガラス製成形型本体２の周面を覆うようにガラス製成形型本体２に接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、成形型、それを備えた成形型組、及びその製造方法に関する。

従来、ガラス製光学素子等のガラス被成形物の製造方法として精密プレス成形法が知られている。精密プレス成形法とは、所定の温度に加熱したガラス材を成形型を用いてプレス成形する方法である。

一般的に、ガラス材の精密プレス成形は高温雰囲気中で行われるため、精密プレス成形にはセラミック製や超硬合金製の成形型が用いられている。しかしながら、セラミックス製や超硬合金製の成形型を作製するためには、母材を高剛性の超精密ＣＮＣ旋盤などにより超精密に切削、研削し、且つ表面を研磨しなければならない。このため、セラミックス製や超硬合金製の成形型は、作製コストが高く、且つ作製に要する時間が長いという問題がある。さらに、成形型ごとに切削加工等を行うために、成形型に形状ばらつきが生じやすいという問題もある。

このような問題に鑑み、例えば特許文献１、２には、ガラス製の成形型が提案されている。
特開２００４−２７７２４２号公報 特開２００５−９７００９号公報

しかしながら、ガラスは比較的脆性の高い材料である。このため、ガラスにより形成した成形型にはチッピングやクラックが発生しやすいという問題がある。特に、上型と、下型と、上型及び下型が摺動可能に挿入される胴型とにより構成される成形型組の場合は、上型、下型の摺動の際に各成形型にチッピングやクラックが非常に発生しやすいという問題がある。

本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、チッピングやクラックが発生しにくく、寿命の長い成形型を提供することにある。

本発明に係る成形型は、柱状のガラス製成形型本体と、金属製の保護部材とを備えている。ガラス製成形型本体の頂面には成形面が形成されている。保護部材はガラス製成形型本体の周面を覆うようにガラス製成形型本体に接合されている。尚、本明細書において「金属製」とは、１種類の金属により形成されている場合、及び２種以上の金属の合金により形成されている場合の両方を含むものとする。

本発明に係る成形型組は、柱状の第１の成形型と、柱状の第２の成形型と、第１の成形型と第２の成形型とが摺動可能に挿入される筒状の第３の成形型とを備えている。第２の成形型は第１の成形型に対向して配置されている。第１の成形型は、柱状のガラス製成形型本体と、金属製の保護部材とを備えている。ガラス製成形型本体の頂面には成形面が形成されている。保護部材はガラス製成形型本体の周面を覆うようにガラス製成形型本体に接合されている。

本発明に係る製造方法は、頂面に成形面が形成された柱状のガラス製成形型本体と、ガラス製成形型本体に接合され、ガラス製成形型本体の周面を覆う、筒状、又は一方の開口が閉じられた筒状の金属製保護部材とを備えた成形型を製造するための方法である。成形型の製造には、柱状の上型と、上型に対向して設けられた柱状の下型と、上型と下型とが摺動可能に挿入される筒状の胴型とを有する成形型組を用いる。

本発明に係る製造方法は、胴型内に上型と下型とにより区画形成された内部空間に、柱状のガラス材が装入された金属製保護部材を配置する工程と、内部空間に配置されたガラス材及び金属製保護部材を加熱すると共に、上型及び下型でもってガラス材をプレスしてガラス材の頂面に成形面を形成してガラス製成形型本体を成形するプレス成形工程と、ガラス製成形型本体と金属製保護部材とを冷却することによりガラス製成形型本体と金属製保護部材とを焼きバメする工程とを備えている。

以上説明したように、本発明によれば、チッピングやクラックの発生を抑制することができるので、製品寿命の長い成形型を実現ことができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本実施形態に係る成形装置２０の構成を表す断面図である。

図２は上型１の斜視図である。

図３は図２中の切り出し線ＩＩＩ−ＩＩＩで切断した部分の断面図である。

本実施形態に係る成形装置２０は、それぞれヒータ２３が埋設された上プレス盤２４及び下プレス盤２５と、上プレス盤２４及び下プレス盤２５の間に配置された成形型組１０とを備えている。

成形型組１０は、柱状（例えば、円柱状、又は角柱状）の上型１と、上型１に対向して配置された柱状（例えば、円柱状、又は角柱状）の下型５と、上型１と下型５とが摺動可能に挿入される筒状（例えば、円筒状、角筒状）の金属製の胴型４とを備えている。下型５は下プレス盤２５に固定されている。下プレス盤２５は基台２６の上に配設されている。尚、胴型４は、下プレス盤２５に変位不能に取り付けられていてもよい。一方、上型１は上プレス盤２４に変位不能に取り付けられている。上プレス盤２４はフランジ２２に取り付けられている。フランジ２２はプレス軸２１を介して、図１に図示されない加圧器（例えば、エアーシリンダ、オイルシリンダ、サーボモータ等）に連結されている。この加圧器によって、フランジ２２及び上プレス盤２４と共に上型１が図１において上下方向に変位可能となっている。また、上プレス盤２４及び／又は下プレス盤２５には、図示しない温度センサや温度制御器が設置されており、上プレス盤２４、下プレス盤２５、及び成形型組１０は音調可能に構成されている。

この成形装置２０は、例えば、不活性ガス（窒素、アルゴン等）雰囲気中において、ガラス材２７（例えば、硼珪酸バリウム系ガラス、ガラス転移温度：５１６℃、軟化温度：５５３℃、１００℃〜３００℃における線熱膨張係数：９３×１０^-7／℃）をプレス成形してガラス被成形物（例えば、ガラス製光学素子等）を製造するために使用されるものである。具体的には、以下のような工程でガラス材２７は成形される。

まず、胴型４内に上型１と下型５とにより区画形成された内部空間にガラス材２７が装入される。装入後、ヒータ２３により、上プレス盤２４及び下プレス盤２５と共に、成形型組１０及びガラス材２７を所定の温度（例えば、ガラス材２７の軟化温度近傍）まで加熱する。加熱後、成形型組１０及びガラス材２７を所定の温度に保持したまま、加圧器（図示せず）を駆動させ、上型１を、下型５方向に相対的に変位させることによりガラス材２７を上型１及び下型５（さらには胴型４）でもって成形する。成形後、成形型組１０及び成形されたガラス材２７を、例えばガラス材２７のガラス転移温度以下の温度まで冷却し、取り出すことによりガラス被成形物を製造する。

上型１を下型５に対して相対的に変位させる工程において、上型１は下型５によって水平方向の変位が規制された胴型４に摺動案内される。このため、プレス工程における上型１の中心軸と下型５の中心軸とのずれ（ガラス被成形物の偏心）が規制される。

例えば、上型１や下型５を脆性を有するガラスにより一体形成した場合、胴型４との接触による衝撃や胴型４との摺動摩擦により上型１や下型５にチッピング、カン、カケ等が生じやすくなる。このため、上型１、下型５、ひいては成形型組１０の製品寿命が短くなる。

それに対して、本実施形態では、図１〜図３に示すように、上型１は、柱状のガラス製成形型本体２と、ガラス製成形型本体２に接合された金属製の保護部材３とを備えている。柱状（例えば、円柱状又は角柱状）のガラス製成形型本体２は、その周面が筒状に形成された金属製の保護部材３により覆われている。このため、脆性を有するガラスにより形成されたガラス製成形型本体２は直接胴型４に対して摺動せず、展延性を有する金属により形成された保護部材３が胴型４に摺動する。従って、ガラス製成形型本体２にチッピング、カン、カケ等が発生することが効果的に抑制される。その結果、製品寿命の長い上型１が実現される。

下型５も、上型１と同様に、柱状（例えば、円柱状又は角柱状）のガラス製成形型本体６と、ガラス製成形型本体６の周面を覆うようにガラス製成形型本体６に接合された金属製の保護部材７とを備えている。従って、下型５は長い製品寿命を有する。

保護部材３は、比較的高い耐熱性を有する金属により形成されていることが好ましい。具体的には、たとえば、ステンレス、タングステンカーバイト、超硬合金等が挙げられる。

ガラス製成形型本体２は比較的高いガラス転移温度を有するものであることが好ましい。具体的には、ガラス材２７の軟化温度よりも高いガラス転移温度を有するものであることが好ましい。具体例としては、珪酸ガラス、硼珪酸ガラス、石英ガラス等が挙げられる。

尚、上型１のチッピング等の発生を抑制する観点から、上型１を金属により一体形成することも考えられる。しかしながら、上型１を金属により一体形成すると、高精度に、安定して成形面を形成することが困難となる。また、上型１の形状ばらつきが発生しやすくなる。それに対して、本実施形態のように、上型１の成形面２ａをガラス製成形型本体２に形成する場合は、研削、研磨等の工程を経ることなく、例えば精密プレス成形法等により容易且つ安定して製造することができる。

続いて、上型１の製造方法を、図４を参照しながら詳細に説明する。

図４は成形装置３０の構成を表す断面図である。

上型１を製造するための成形装置３０は、それぞれヒータ３３が埋設された上プレス盤３４及び下プレス盤４０と、上プレス盤３４及び下プレス盤４０の間に配置された成形型組３８とを備えている。

成形型組３８は、柱状（例えば、円柱状、又は角柱状）の上型３５と、上型３５に対向して配置された柱状（例えば、円柱状、又は角柱状）の下型３７と、上型３５と下型３７とが摺動可能に挿入される筒状（例えば、円筒状、角筒状）の金属製の胴型３６とを備えている。下型３７は下プレス盤４０に固定されている。下プレス盤４０は基台４１の上に配設されている。胴型３６は、下プレス盤４０に変位不能に取り付けられていてもよい。一方、上型３５は上プレス盤３４に変位不能に取り付けられている。上プレス盤３４はフランジ３２に取り付けられている。フランジ３２はプレス軸３１を介して、図４に図示されない加圧器（例えば、エアーシリンダ、オイルシリンダ、サーボモータ等）に連結されている。この加圧器によって、フランジ３２及び上プレス盤３４と共に上型３５が図４において上下方向に変位可能となっている。また、上プレス盤３４及び／又は下プレス盤４０には、図示しない温度センサや温度制御器が設置されており、上プレス盤３４、下プレス盤４０、及び成形型組３８は音調可能に構成されている。

上記構成の成形装置３０を用いて上型１を製造する。まず、成形装置３０を不活性ガス（例えば、窒素ガス、アルゴンガス等）雰囲気中に配置する。次に、胴型３６内に上型３５と下型３７とにより区画形成された内部空間内に、柱状のガラス材３９が装入された筒状の保護部材３を配置する。配置後、ヒータ３３を駆動させ、上プレス盤３４及び下プレス盤４０と共に、成形型組３８、ガラス材３９、及び保護部材３を所定の温度（例えば、ガラス材３９の軟化温度近傍）まで加熱し、その後、この温度で所定の期間保持する。そして、成形型組３８、ガラス材３９、及び保護部材３を所定の温度に保持したまま、加圧器（図示せず）を駆動させ、上型３５を、下型３７方向に相対的に変位させることによりガラス材３９を上型３５及び下型３７でもって成形する。この成形工程により成形面２ａが形成され、ガラス被成形物が得られる。

成形工程に亘って、上型３５は保護部材３から隔離されていることが好ましい。具体的には、プレス成形前のガラス材３９の高さを保護部材３の高さよりも高く設定しておき、上型３５が保護部材３に当接しない範囲においてプレスすることが好ましい。上型３５が比較的高強度の金属製の保護部材３に当接するとガラス材３９に負荷される圧力が小さくなり所望の成形面２ａの面精度が得られなくなると共に、上型３５が傷ついてしまうからである。

成形後、成形型組３８、成形されたガラス材（ガラス被成形物）３９、及び保護部材３を、例えばガラス材３９のガラス転移温度以下の温度まで冷却し、取り出すことによりガラス被成形物を完成させる。取り出されたガラス被成形物が有する歪みの量によっては、ガラス被成形物にさらに精密アニール処理を施してもよい。具体的には、ガラス被成形物を、そのガラス転移温度近傍で数分〜数時間保持し、その後１０Ｒ（１時間当たり１０℃）〜３００Ｒ（１時間当たり３００℃）程度の効果速度で、例えばガラス転移温度よりも１５０度以上低い温度まで徐冷してもよい。

保護部材３とガラス材３９とは、それぞれ、この冷却工程において焼きバメされるような線熱膨張係数に設定しておくことが好ましい。具体的には、保護部材３の線熱膨張係数をガラス材３９の線熱膨張係数（詳細には、ガラス材３９のガラス転移温度から軟化温度までの線熱膨張係数）以上に設定しておくことが好ましい。このように設定しておくことによって、冷却工程における保護部材３の収縮量が成形されたガラス材（ガラス被成形物）３９の収縮量よりも大きくなるため、保護部材３と成形されたガラス材（ガラス被成形物）３９とは焼きバメされ、接合されることとなる。従って、さらなる保護部材３と成形されたガラス材（ガラス被成形物）３９との接合工程を行うことなく、保護部材３と成形されたガラス材（ガラス被成形物）３９とを容易に接合することができる。

尚、本発明に於いて、保護部材３と成形されたガラス材（ガラス被成形物）３９との接合方法は焼きバメに限定されるものではなく、例えば、接着剤等を用いて接合してもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態の一例を説明してきたが、保護部材３は上記のように筒状でなくてもよい。

例えば、図５に示すように、保護部材３を一方の開口が閉じられた筒状に形成してもよい。この構成によれば、ガラス製成形型本体２の底面部のチッピング等を抑制することができる。

また、図６に示すように、内周面に輪帯状に形成された複数の突条部が設けられた筒状に形成されていてもよい。また、図７に示すように、内周面に輪帯状に形成された複数の凹条部が設けられた筒状に形成されていてもよい。さらに、図８に示すように、相互に平行に、且つ同心円状に配置された複数の筒状部材３ａ、３ｂ、３ｃにより構成されていてもよい。このような構成によれば、ガラス製成形型本体２と保護部材３とをより強固に接合することができる。

以上説明したように、本発明に係る成形型は、長い製品寿命を有し、レンズ、プリズム等の光学素子、ガラス素子を成形するためのガラス製成形型等の製造に有用である。

成形装置２０の構成を表す断面図である。 上型１の斜視図である。 図２中の切り出し線ＩＩＩ−ＩＩＩで切断した部分の断面図である。 成形装置３０の構成を表す断面図である。 変形例に係る保護部材３の形状を表す断面図である。 変形例に係る保護部材３の形状を表す断面図である。 変形例に係る保護部材３の形状を表す断面図である。 変形例に係る保護部材３の形状を表す断面図である。

符号の説明

１、３５ 上型
２、６ ガラス製成形型本体
２ａ 成形面
３、７ 保護部材
４、３６ 胴型
５、３７ 下型
１０、３８ 成形型組
２０、３０ 成形装置
２１、３１ プレス軸
２２、３２ フランジ
２３、３３ ヒータ
２４、３４ 上プレス盤
２５、４０ 下プレス盤
２６、４１ 基台
２７、３９ ガラス材

Claims (9)

1. 頂面に成形面が形成された柱状のガラス製成形型本体と、
   上記ガラス製成形型本体の周面を覆うように該ガラス製成形型本体に接合された金属製の保護部材と、
   を備えた成形型。
2. 請求項１に記載された成形型において、
   上記保護部材は、筒状、又は一方の開口が閉じられた筒状であり、上記ガラス製成形型本体は該保護部材に装入されている成形型。
3. 請求項１に記載された成形型において、
   上記保護部材は、その上記ガラス製成形型本体のガラス転移温度から軟化温度までの線熱膨張係数が上記ガラス製成形型本体の同線熱膨張係数以上である成形型。
4. 請求項１に記載された成形型において、
   上記ガラス製成形型本体と上記保護部材とは互いに焼きバメされている成形型。
5. 柱状の第１の成形型と、
   上記第１の成形型に対向して配置された柱状の第２の成形型と、
   上記第１の成形型と上記第２の成形型とが摺動可能に挿入される筒状の第３の成形型とを備え、
   上記第１の成形型は、上記第２の成形型と対向する成形面が形成された頂面を有する柱状の第１のガラス製成形型本体と、該第１のガラス製成形型本体の周面を覆うように該第１のガラス製成形型本体に接合された金属製の第１の保護部材とを有する成形型組。
6. 請求項５に記載された成形型組において、
   上記第２の成形型は、上記第１の成形型と対向する成形面が形成された頂面を有する柱状の第２のガラス製成形型本体と、該第２のガラス製成形型本体の周面を覆うように該第２のガラス製成形型本体に接合された金属製の第２の保護部材とを有する成形型組。
7. 請求項５に記載された成形型組において、
   上記第３の成形型は金属製である成形型組。
8. 頂面に成形面が形成された柱状のガラス製成形型本体と、該ガラス製成形型本体の周面を覆うように該ガラス製成形型本体に接合された、筒状、又は一方の開口が閉じられた筒状の金属製保護部材とを備えた成形型を、柱状の上型と、該上型に対向して設けられた柱状の下型と、該上型と該下型とが摺動可能に挿入される筒状の胴型とを有する成形型組を用いて製造する方法であって、
   上記胴型内に上記上型と上記下型とにより区画形成された内部空間に、柱状のガラス材が装入された上記金属製保護部材を配置する工程と、
   上記内部空間に配置されたガラス材及び金属製保護部材を加熱すると共に、上記上型及び上記下型でもって該ガラス材をプレスして該ガラス材の頂面に上記成形面を形成して上記ガラス製成形型本体を成形するプレス成形工程と、
   上記ガラス製成形型本体と上記金属製保護部材とを冷却することにより該ガラス製成形型本体と該金属製保護部材とを焼きバメする工程と、
   を備えた成形型の製造方法。
9. 請求項８に記載された成形型の製造方法において、
   上記プレス成形工程に亘って上記上型は上記保護部材から隔離されている成形型の製造方法。

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