JP2008056520A - プレス成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成形時の高温下においても、金型を固定する周辺からの応力や歪みがかからず、高精度に非球面を成形することが可能な装置を提供する。
【解決手段】基台１３と、前記基台１３上に載置した成形体１４と、その上部に設けた前記成形体１４を加圧する加圧部１５と、少なくとも前記加圧部１５に設けられた加熱手段１７とからなるプレス成形装置であって、前記成形体１４は、成形素材２７を挟持して加圧成形する成形面24a、２５aを備えた上下一対の金型２４、２５と、これら一対の金型２４、２５の外側面と嵌合して包囲するスリーブ２６とを有し、前記金型２４、２５と加圧部１５とを別体として保持するとともに、前記加熱手段１７でこの加圧部１５を加熱して前記成形素材２７を加圧成形する構成とした。
【選択図】図３

Description

本発明は、特に光ピックアップや携帯機器に用いる撮像用ガラスレンズなどの光学素子を加圧成形するプレス成形装置に関するものである。

ＣＤやＭＤなどの光記録・再生用のピックアップ装置、デジタルカメラや携帯電話に搭載される撮像装置には、耐熱、耐衝撃性などの使用環境を考慮してガラスレンズが用いられている。これらの機器の小型化・薄型化に対応するため、搭載されるガラスレンズとして、非球面レンズが要求されている。

このような、小型の非球面レンズは、重量や外形などを規定したガラス素材を加熱して軟化させた後、非球面形状を形成した一対の金型でプレス成形することでその形状を転写していた。

図４は、従来のプレス成形装置における要部断面図を示している。まず初めに、非球面を形成した成形面１ａ、２ａを有する一対の金型１、２それぞれを、スリーブ３、４に挿入固定した後、ダイプレート５、６を介して加圧部７、８とボルト９で締結し、加圧部７、８と金型１、２とを一体固定する。そして、成形部１ａ、２ａ間にガラス素材１０を挟持した後、少なくともガラス転移温度（Ｔｇ）以上に昇温して一定時間維持し、ガラス素材１０を軟化させ、加圧部７、８により互いに加圧することでプレス成形を行う。最後に金型１、２を徐冷した後、プレス成形したガラス素材１０を取り出す。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、特許文献２が知られている。
特開平８−１３３７６６号公報 特開平８−２３１２３１号公報

通常、ガラス素材１０をガラス転移温度（Ｔｇ）以上に加熱した後、加圧してプレス成形を行う。ガラス素材１０の種類にもよるが、プレス成形に用いる一般的なガラス素材１０のガラス転移温度は５００℃を超える高温となる。金型１、２は、その耐熱性を考慮し、ＷＣやＳｉＣなどの焼結セラミックが用いられるが、高価で加工が難しいため、その使用は金型のみに限定される。そのため、ダイプレート５、６、加圧部７、８、ボルト９などの周辺部は、ＳＵＳなどの比較的加工しやすい安価な材料が用いられている。したがって、従来例のように、金型１、２の外側面のほとんどが拘束され、さらにボルト９で締結され加圧部と一体となった状態で高温に加熱されることで、成形部１ａ、２ａには、線膨張係数の違いにより応力や歪みが周辺からかかることになり、その結果、プレス成形したガラス素材１０の非球面精度が劣化する課題があった。

さらに、プレス成形の温度履歴が繰り返しかかることで、上下一対の金型１、２は芯ずれを起こし、非球面の精度はさらに劣化することとなる。

そこで本発明は、高精度な成形が可能なプレス成形装置を提供することを目的とする。

そして上記目的を達成するために、本発明は、基台と、前記基台上に載置した成形体と、その上部に設けた前記成形体を加圧する加圧部と、少なくとも前記加圧部に設けられた加熱手段とからなるプレス成形装置であって、前記成形体は、成形素材を挟持して加圧成形する成形面を備えた上下一対の金型と、これら一対の金型の外側面と嵌合して包囲するスリーブとを有し、前記金型と加圧部とを別体として保持するとともに、前記加熱手段でこの加圧部を加熱しながら前記成形体を加圧して成形素材を加圧成形するプレス成形装置であるので、プレス成形の高温下で金型の成形面にかかる周辺部からの歪みを小さくすることができ、その結果、プレス成形した成形素材の精度を高めることができる。さらに、スリーブ内周側開口縁に設けた面取り部を、スリーブと固定手段とのクリアランスより大きくすることで、連続プレス成形時の上下金型の芯ずれを低減することができる。

本発明のプレス成形装置は、加圧部に孔を設け、この孔で金型の一面を真空吸引して、金型と加圧部とを別体として保持するとともに、加熱手段で加熱して成形素材をプレス成形するものであり、さらに、加圧部に設けた孔の外径を金型の成形面の外径よりも小さくしたので、プレス成形の高温下でも、金型の周囲から線膨張係数の違いによる応力や歪みを受けることが無く、その結果、成形面の高温下での精度を劣化させることなく成形素材を高精度にプレス成形することが可能となる。さらに、スリーブの内周側開口縁に面取り部を設け、この面取り部をスリーブとその固定手段とのクリアランスよりも大きくすることで、連続成形において成形素材の脱着時に生じる上下金型の芯ずれを低減することができるので、その結果、高精度なプレス成形を維持し、生産性を高めることができる作用効果も同時に奏する。

以下、本発明の一実施の形態におけるプレス成形装置について、図を用いて説明する。

図１は、プレス成形装置の主要部を説明する一部断面図である。本実施の形態におけるプレス成形装置は、主要成形部として、ベース１１に設けられた固定基台１２上に配置した基台１３と、この基台１３上に載置し、非球面ガラスレンズなどを成形する成形体１４と、成形体１４の上方に設けられ、この成形体１４を加圧し、基台１３と挟持しながら加圧成形する加圧部１５とから構成されている。尚、基台１３および加圧部１５には、それぞれ加熱手段１６、１７が埋設されており、成形体１４を所定の温度に加熱する。さらに、加圧部１５には、シリンダーなどからなる加圧手段１８が連結されている。この加圧手段１８により、その先端の加圧部１５を昇降することにより、成形体１４を加圧しプレス成形する。

また、上記の主要成形部は周囲六面を囲まれている。四面ある側面の少なくとも一面は主要成形部のメンテナンスのため、開閉可能となっている。本実施の形態では、側壁１９ａが開閉可能となっており、さらに外部からその内部を視認可能なように、ガラスなどの透明板２０がＯリング２１を介して嵌め込まれている。また、側壁１９ａは、Ｏリング２２を介して、その内部を密閉可能とした。側壁１９の上下端部には、内部の雰囲気を置換するために、バルブなどからなる吸排気口２３ａ、２３ｂを設けている。これは、高温下で成形するときの金型材料の酸化や、成形するガラス材料が金型表面に付着することを防止するため、主要成形部の雰囲気を不活性ガスである窒素やアルゴンなどで置換するためである。尚、空気より重い気体で内部を置換する場合は、２３ｂを吸気口として気体を導入し、２３ａを排気口として排出することで置換させる。反対に空気より軽い気体で内部を置換する場合は、２３ａを吸気口として置換させる気体を導入し、２３ｂを排気口として排出すればよい。

次に基台１３、加圧部１５を含む成形部１４の詳細を、図２を用いて説明する。

図２は成形体１４を含む主要成形部の拡大断面図である。成形体１４は、非球面部を形成した成形面２４ａ、２５ａを有する上下一対の金型２４、２５と、これら上下一対の金型２４、２５と嵌合し、外側面を包囲する筒状のスリーブ２６と、成形面２４a、２５aで挟持して固定された成形素材２７とから構成される。

金型２４、２５の材料としては、耐熱性、耐久性などを考慮して、タングステン系高比重合金や、ＳｉＣ、ＷＣなどの焼結セラミックを選択する。スリーブ２６の材料も、原則、金型２４、２５の材料と同一のものを選択する。スリーブ２６と金型２４、２５は摺動しながら上下自在に移動可能なように、スリーブ２６の内径および金型２４、２５の外径は設計されている。スリーブ２６の材料を金型２４、２５と異質な材料を選択する場合、金型２４、２５の材料の線膨張係数より大きな係数を有する材料を選択すればよい。

この成形部１４を構成する、スリーブ２６の外側面には、凹形状の溝２６ａが形成されている。基台１３の天面に設けた鈎ツメ状の固定手段２８に、この凹形状の溝２６ａを嵌合させて、スリーブ２６の水平、垂直方向を位置決めして固定する。成形面２４ａに相対する底面２４ｂの外径は、成形面２４ａの外径よりも大きく、金型２４の断面形状は逆Ｔ字形状となっている。そのため、金型２４は、スリーブ２６の下端に当接し、スリーブ２６を固定すると同時に金型２４も固定されることになる。

また、基台１３および加圧部１５には、カートリッジヒータなどからなる加熱手段１６、１７が埋設されており、成形体１４を熱伝導および輻射などで加熱可能な構造となっている。尚、本実施の形態では、加熱手段１６、１７を、基台１３、加圧部１５にそれぞれ埋設した構成としたが、加熱手段として赤外線ヒータなどを選択し、成形体１４の周囲に配設することで、輻射熱により間接的に成形体１４を加熱する構成としてもよい。

さらに、基台１３および加圧部１５は二層構造となっており、これらの表層部分１３ａ、１５aは金型２４、２５と同一の材料とした。このような二層構造とすることで、加熱手段１６、１７を昇温させたときの基台１３および加圧部１５の表面の変形を防止して、その平坦度を良好に維持できる。さらに、成形時、あるいは金型２４、２５の脱着時に、その底面部である２４ｂ、２５ｂへの傷や破損を防止することができる。そして、加圧部１５には、加圧手段１８を貫通し上金型２５を吸引保持する孔２９が設けられており、真空源に連結することで、上金型２５の上端側の一面２５ｂのみを吸着して加圧部１５の表層部分１５aに保持できるようになっている。

次に、成形体１４の詳細な構造を、図３の要部拡大断面図を用いて説明する。図３は、プレス成形時における成形体１４の状態を説明する要部拡大断面図である。金型２５の上端側の一面２５ｂは、孔２９により加圧部１５の表層部分１５aに真空吸着されて固定されている。一対の金型２４、２５は、非球面形状などからなる成形面２４ａ、２５ａを天面部として、その底面部２４ｃ、２５ｃが幅広となる、断面形状が逆Ｔ字形状としている。尚、成形面２５ａの外径Ｒ１は、孔２９の外径Ｒ２より必ず大きくなるように設計する。外径Ｒ１を必ずＲ２より大きくすることで、加圧部１５で上金型２５を加圧したとき、逆Ｔ字の鍔部２５ｄが撓むことにより成形面２５ａにかかる応力や歪みを低減することができるため、その結果、プレス成形時における高温、高圧下で、金型２４、２５の成形面２４a、２５aの精度を劣化させることなく成形素材２７を高精度にプレス成形することができる。

一方、スリーブ２６の外側面の一部に、凹形状の溝２６ａが設けられており、また、基台１３（図２）の表層部分１３ａには、鈎ツメ状の固定手段２８を設けている。スリーブ２６に嵌合された下金型２４は、このスリーブ２６とともに、凹形状の溝２６ａを鈎ツメ状の固定手段２８に嵌合させることで、水平および垂直方向に位置決めされる。尚、凹形状の溝２６ａと鈎ツメ状の固定手段２８を嵌合させたとき、必ずクリアランスＣ１を設けるように設計する。さらにこの鈎ツメ状の固定手段２８と、スリーブ２６とは別の材料を用い、プレス成形時にこのクリアランスＣ１がほぼ解消されるように設計することで、高温下のプレス成形時に成形体１４が揺動することを防止できるため、その結果、高精度なプレス成形を実現できる。

さらに、スリーブ２６の内周側開口縁に面取り部２６ｂを必ず設ける。尚、面取り部２６ｂはＣ面取りでも、Ｒ面取りであってもよい。この面取り部２６ｂの面取り量Ｃ２が、スリーブ２６と鈎ツメ状の固定手段２８とのクリアランスＣ１より必ず大きくなるように設計する。このように設計することで、上金型２５の取り外し時、例えばプレス成形を終了した成形素材２７を取り出し、再度上金型２５を取り付けるとき、クリアランスＣ１によるスリーブ２６の位置ずれがあっても、上金型２５を、面取り部２６ｂをさそいとしてスリーブ２６に正確にかつ確実に挿入して嵌合させることができる。そのため、成形素材２７の脱着時に生じる一対の金型２４、２５の芯ずれを低減することができ、その結果、高精度なプレス成形を維持しながら生産性を高めることができる。

ガラス材料などの成形素材２７をプレス成形する場合、まず初めに、ゴブ形状または球状に加工した成形素材２７を、スリーブ２６に下金型２４を嵌合させた成形面２４ａ上に載置し、上金型２５を嵌合し成形体１４として基台１３に位置決め固定する。次に、加熱手段１６、１７により昇温して、少なくとも成形素材２７のガラス転移温度（Ｔｇ）以上にした状態で一定時間維持し、軟化させる。そして、加圧手段１８を降下させることにより、加圧部１５を介して上金型２５の上端部の一面２５ｂを加圧し、成形面２４ａ、２５ａの非球面形状を成形素材２７に転写させる。最後に、徐冷し、概ね１００℃以下となった状態で、加圧手段１８を上昇させて、スリーブ２６から上金型２５を取り外し、プレス成形した成形素材２７を取り出す。

上記の一連のプレス成形過程において、成形素材２７の最高加熱温度は、材料にもよるが、概ね５００℃以上となる。したがって、成形体１４には、固定に要する材料の線膨張係数の違いから生じる応力や歪みを受けることとなる。本実施の形態では、成形体１４、特に上金型２５の固定を、その上端部の一面のみを吸引保持するため、プレス成形の高温・高圧下で、周囲から歪みや応力がかかった場合でも、上金型２５そのものが摺動して移動することで、応力を緩和させることができ、その結果、成形素材２７を高精度でプレス成形することができる。

本発明に係る光学素子のプレス成形装置は、加圧部に孔を設け、この孔で金型の一面を真空吸引して、金型と加圧部とを別体として保持するとともに、加熱手段で加熱して成形素材をプレス成形するものであり、さらに、加圧部に設けた孔の外径を金型の成形面の外径よりも小さくしたので、プレス成形の高温下でも、金型の周囲から線膨張係数の違いによる応力や歪みを受けることが無く、その結果、成形面の高温下での精度を劣化させることなく成形素材を高精度にプレス成形することが可能となる。さらに、スリーブの内周側開口縁に面取り部を設け、この面取り部をスリーブとその固定手段とのクリアランスよりも大きくすることで、連続成形において成形素材の脱着時に生じる上下金型の芯ずれを低減することができ、その結果、高精度なプレス成形を維持し、生産性を高めることができる作用効果も同時に奏するものであり、例えば光ピックアップや携帯機器に用いる撮像用ガラスレンズなどの光学素子を加圧成形するプレス成形装置に有用である。

本発明の実施の一形態を示すプレス成形装置の要部断面図 同図の成形部を説明する拡大断面図 成形体の詳細な構造を説明する拡大断面図 従来のプレス成形装置を説明する一部断面図

符号の説明

１３ 基台
１４ 成形体
１５ 加圧部
１６ 加熱手段
１７ 加熱手段
２４、２５ 金型
２４ａ、２５ａ 金型２４、２５の成形面
２６ スリーブ
２６ａ スリーブ２６の外側面に設けた凹状の溝
２６ｂ スリーブ２６の内周側開口縁に設けた面取り部
２７ 成形素材
２８ 固定手段
２９ 真空吸着用の孔

Claims (4)

1. 基台と、前記基台上に載置した成形体と、その上部に設けた前記成形体を加圧する加圧部と、少なくとも前記加圧部に設けられた加熱手段とからなるプレス成形装置であって、前記成形体は、成形素材を挟持して加圧成形する成形面を備えた上下一対の金型と、これら一対の金型の外側面と嵌合して包囲するスリーブとを有し、前記金型と加圧部とを別体として保持するとともに、前記加熱手段でこの加圧部を加熱しながら前記成形体を加圧して成形素材を加圧成形するプレス成形装置。
2. 加圧部は、金型を吸引保持する孔を有し、この孔の外径は、金型の成形面の外径より小さくした請求項１に記載のプレス成形装置。
3. 基台は、スリーブを位置決め保持する固定手段を有し、前記スリーブの外側面に設けた凹状の溝をこの固定手段に嵌合して位置決めする請求項１または請求項２に記載のプレス成形装置。
4. スリーブの内周側開口縁に設けた面取り部は、固定手段と前記スリーブとのクリアランスより大きくした請求項３に記載のプレス成形装置。

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