JP2008137836A - 成形装置及び成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 一対の型の平行度を適切に修正することにより型同士の組み合わせ精度を向上するとともに成形品の品質を向上する成形装置を提供する。
【解決手段】 本発明の一例にかかる成形装置１は、上下プレス軸１１、２１によって、少なくとも一方が移動可能に支持された、上下一対の金型１４，２４を備えている。金型１４，２４の間に配されたガラス基板３０及び金型１４，２４を加熱するランプユニット４０が設けられている。また、一対の型１４，２４の一方又は両方を移動させることにより、前記加熱により軟化したガラス基板３０を加圧成形するサーボモータ４５やスクリュージャッキ４６が設けられている。さらに、上金型１４，下金型２４の熱を上下のプレス軸１１，２１に伝え難くするとともに、加圧によって弾性変形可能な黒鉛シート１３，２３が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、成形装置及び成形品の製造方法に係り、特に、ガラス素材等の被成形材を熱軟化させた状態で加圧成形するものに関する。

ガラス素材等を熱軟化させるとともに加圧成形する成形装置において、一対の型を備え、この型を相対移動させることにより型の間に配置されたガラス素材などを加圧成形するものが知られている（例えば特許文献１参照）。この種の成形装置では、一対の型は、金属からなるプレス軸及びセラミックからなる断熱軸を介してフレームに固定されている。これら一対の型及びこれらの型の間に配された被成形材は、密封されたチャンバ内に配されている。このチャンバの周りに赤外線ランプヒータや高周波誘導加熱などによる加熱手段が配置されている。このような成形装置においては、加熱手段によりチャンバを加熱することで一対の型及び被成形材を加熱し、被成形材が熱軟化した状態において一対の型のいずれか一方又は両方を移動させることで、被成形材を加圧成形する。
ここで、高精度な成形においては、一対の型同士の平行度や組み合わせ精度が重要となる。ここで、上記成形装置における型の姿勢は成形装置の形状や取り付け精度に依存する。したがって、例えば成形装置の支持部材が傾いている場合には、これに伴って型も傾斜する場合がある。
特開２００３−１３７５６２号公報

しかしながら、上記の技術では、以下のような問題があった。すなわち上記の装置では、装置の形状や傾斜等によって型の成形面が傾斜している場合に、成形面が傾いた状態のまま加圧成形されることとなり、一対の型同士の組み合わせ精度が低下し、成形精度低下する原因となる。

そこで本発明は、一対の型の平行度を適切に修正することにより型同士の組み合わせ精度を向上するとともに成形される成形品の品質を向上することができる成形装置及び成形品の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一例にかかる成形装置は、支持部材によって、少なくとも一方が移動可能に支持された、一対の型と、前記一対の型の間に配された被成形材及び前記型を加熱する加熱手段と、前記一対の型の一方又は両方を移動させることにより、前記加熱により軟化した前記被成形材を加圧成形する加圧手段と、前記型の熱を前記支持部材に伝え難くするとともに、前記加圧によって弾性変形可能な弾性断熱部材と、を備えたことを特徴とする。

本発明の他の一例にかかる成形装置は、上記に加え、前記加熱手段は前記型の外周に設けられ、前記弾性断熱部材の熱伝導率は方向によって異なることを特徴とする。

本発明の他の一例にかかる成形装置は、上記に加え、前記弾性断熱部材は、黒鉛シートであることを特徴とする。

本発明の他の一例にかかる成形装置は、上記に加え、前記弾性断熱部材は、前記支持部材と前記型との間に設けられていることを特徴とする。

本発明の一例にかかる成形品の製造方法は、一対の型と、この型を支持する支持部材の間に、前記型の熱を前記支持部材に伝え難くするとともに加圧されることにより弾性変形可能な弾性断熱部材を介在させ、前記一対の型の間に配された被成形材及び前記一対の型を加熱し、前記被成形材が熱軟化した状態で、前記一対の型のいずれか一方または両方を移動させることにより前記被成形材を加圧成形することを特徴とする。

を特徴とする。

本発明によれば、加圧によって弾性変形可能な弾性断熱部材を設けたことにより、加圧の際に型の平行度を適切に修正することができる。したがって、一対の型同士の組み合わせ精度を向上するとともに製造される成形品の品質を向上することが可能となる。

［第１実施形態］
以下に本発明の第１実施形態について、図１乃至図３を参照して説明する。なお、各図において適宜構成を拡大、縮小、省略して示している。

図１は本実施形態に係る成形装置１を概略的に示す断面図である。この成形装置１は、リヒートプレスにより、デジタルカメラ等に代表される非球面ガラスレンズや、ガラス基板上に微細パターンを形成した次世代光波制御素子等の高精度ガラス素子等を成形するガラス素子用成形装置である。

成形装置１は、フレーム１０と、フレーム１０の上部に固定された上プレス軸１１と、フレーム１０の下部において上下移動可能に設けられた下プレス軸２１を備えている。上プレス軸１１の下端には、上断熱軸１２及び黒鉛シート１３を介して上金型１４が取り付けられている。下プレス軸２１の上端には、下断熱軸２２及び黒鉛シート２３を介して下金型２４が取り付けられている。一対の型としての上金型１４と下金型２４との間には被成形材としてのガラス基板３０が配置されている。上金型１４、下金型２４、ガラス基板３０、は気密に構成されたチャンバ３１内に収容されている。このチャンバ３１の周りに加熱手段としてのランプユニット４０が配されている。

チャンバ３１は石英等から円筒状に構成された石英管３２を備え、フレーム１０内において上下に延設されている。チャンバ３１の内部は、周囲の大気から遮断され、不活性ガス雰囲気下に保ち得る成形室３３を構成する。このチャンバ３１によって上下の金型１４，２４の周りの雰囲気を、加熱及び成形中は真空雰囲気とし、冷却中は不活性雰囲気とすることで、上下の金型１４，２４が長寿命化される。

フレーム１０の上部に固定された支持部材としての上プレス軸１１は、チャンバ３１の中心部において上下方向に延びている。固定軸となる上プレス軸１１は、チャンバ３１の上面に形成された孔３１ａに挿通され、チャンバ３１を気密に維持するようにＯリング３４を介して固定されている。

上断熱軸１２は、上プレス軸１１の下端部から下方に延びている。上断熱軸１２は、例えば熱伝導率が１３Ｗ／ｍ・ｋ程度と低い窒化珪素等のセラミックから、内部に空間を有する筒状に構成されている。この上断熱軸１２は、上金型１４からの熱が上プレス軸１１に伝わるのを防ぐ断熱機能を有する。

上断熱軸１２の下端に、弾性断熱部材としての黒鉛シート１３を介して上金型１４が設けられている。すなわち、上金型１４は、背面側である上方向から、黒鉛シート１３、断熱軸を介して上プレス軸１１によって支持されている。上金型１４は、サブミクロンからナノメータレベルの微細パターンを形成可能な所定の成形面１５を有し、金属製又はセラミック・カーボン製のダイプレート、セラミックや超硬合金などで作られたコア、このコアをダイプレートに取り付けると共に型の一部を形成する固定ダイ、温度測定用の熱電対、等を備えて構成されている。

上断熱軸１２と上金型１４とは、例えば、黒鉛シート１３の周縁における４箇所あるいは８箇所において、段付ネジ１８によって、黒鉛シート１３を介して固定されている。この段付ネジ１８によって、黒鉛シート１３は、上断熱軸１２との間にわずかな隙間が形成された状態で、圧縮されることなく、上金型１４と上断熱軸１２との間に取り付けられる。なお、プレス時には段付ネジ１８の頭部が突出するとともに、黒鉛シート１３が、上断熱軸１２及び上金型１４に対して密着し、圧縮される。

黒鉛シート１３は、天然黒鉛に特殊処理を施して成形され、上金型１４の背面と同形状であって厚さ１ｍｍ程度に構成されている。この黒鉛シート１３は、可撓性を有し、熱的、電気的に異方性を有している。厚さ方向すなわちプレス方向における熱伝導率が５ｗ/ｍ・ｋと低く、厚さ方向に垂直な面の方向における熱伝導率は２００ｗ／ｍ・ｋと高く構成されている。この黒鉛シート１３は、上金型１４の熱が上プレス軸１１に伝わらないようにする断熱部材としての機能を有するとともに、上金型１４の面方向における加熱を均一にする熱伝導体としての機能も有する。さらに、この黒鉛シート１３は、弾性変形可能であり、耐冷耐熱性、柔軟性及び圧縮復元性を有している。したがって、上下の金型１４，２４の組み合わせ状態が悪い場合には、加圧により一部が適宜圧縮されることで上下の金型１４，２４の平行度を修正する機能を有する。

支持部材としての下プレス軸２１は、上プレス軸１１に対向するように、チャンバ３１の中心部において上向きに延びている。下プレス軸２１は、チャンバ３１の下面に形成された孔３１ａに挿通され、上下方向移動可能に、かつ、チャンバ３１内を気密に維持するようＯリング３４を介してチャンバ３１に取り付けられている。移動軸である下プレス軸２１の下端部は、荷重検出器３５を介して後述する加圧手段としてのスクリュージャッキ４６等の駆動装置に接続されている。

下断熱軸２２は、下プレス軸２１の上端から、上方に延びている。下断熱軸２２は、上断熱軸１２と同様にセラミック製で筒状に構成され、断熱機能を有し、下金型２４の熱が下プレス軸２１に伝わるのを防止する。

下断熱軸２２の上端に、弾性断熱部材としての黒鉛シート２３を介して下金型２４が設けられている。すなわち、下金型２４は、背面側である下方向から、黒鉛シート２３、下断熱軸２２を介して下プレス軸２１によって支持されている。下金型２４は移動ダイや温度測定用の熱電対等を備えて構成されている。下断熱軸２２、黒鉛シート２３及び下金型２４は、上断熱軸１２、黒鉛シート１３、及び上金型１４と同様に段付ネジ１８によって固定される。

黒鉛シート２３は、上記黒鉛シート１３と同様の特性を有し、下金型２４の背面すなわち下端面と同形状であって１ｍｍ程度の厚さに構成されている。

上プレス軸１１及び下プレス軸２１の内部には、成形室３３の内部にＮ_２ガスなどの不活性ガスを充満させ、あるいは上金型１４及び下方を冷却するためのガス供給路３６が設けられている。また、フレーム１０の上部プレートにもガス供給路３６が設けられ、成形質の内部に不活性ガスが供給される。成形室３３の内部に供給された不活性ガスは、成形室３３の下部を形成する中間プレートに形成された排気口３７から排出される。

下金型２４の上面にガラス基板３０が配置されている。すなわち、ガラス基板３０は上金型１４と下金型２４の間に配置され、下金型２４の運動に伴って上下に移動可能となっている。

フレーム１０の下部には、駆動源となるサーボモータ４５及びサーボモータ４５の回転運動を直線運動推力に変換するスクリュージャッキ４６が収容されている。サーボモータ４５は、制御装置４７により駆動される。この際、予め設定されたプログラムに従って速度、トルク及び回転量が制御される。

チャンバ３１の外側には、加熱手段としてのランプユニット４０が配されている。ランプユニット４０は、上下方向において上金型１４，下金型２４及びガラス基板３０に対応する位置におけるチャンバ３１の外周部に配置された赤外線ランプ４１、赤外線ランプ４１の後方に配置された反射ミラー４２、反射ミラー４２を冷却するための水冷パイプ４３、及び透明な石英管３２の外周面に向けて冷却用の空気を噴出させるための空冷手段（図示せず）等を備えている。このランプユニット４０によって、チャンバ３１ごと加熱されることによりチャンバ３１の内部に配された上下の型１４，２４及びガラス基板３０が全体的に加熱される。

次に本実施形態にかかる成形品の製造方法について説明する。
ガラス基板３０が下金型２４上にセットされた状態で、熱電対により上下の金型１４，２４の温度を検出しつつ、制御装置４７により出力を制御しながらランプユニット４０を作動させる。これにより上金型１４及び下金型２４及びガラス基板３０が４００度〜７５０度程度に加熱される。この結果、ガラス基板３０が軟化する。

このとき、黒鉛シート１３の面方向における熱伝導率は高いため、金型は面方向において均一に加熱される。すなわち、上下の金型１４，２４における部位毎の温度のばらつきを極力小さく抑えられる。一方で黒鉛シート１３の厚み方向における熱伝導率は低いため、上下の金型１４，２４の熱はプレス軸１１，２１に伝わり難くなる。

さらに、制御装置４７により、金型の検出温度と関連させてサーボモータ４５の速度、トルク及び回転量を制御することにより、下プレス軸２１を予め設定されたプログラムに従って移動させる。このとき、荷重検出器３５によりスクリュージャッキ４６に伝達される荷重を検出し、この値が所定の値になるように、上金型１４と下金型２４の押圧力が制御される。

以上により、上金型１４と下金型２４が近づくことによりこの押圧力でガラス基板３０が成形される。ここで、成形装置１の本体の熱膨張やプレス力によるフレーム１０の歪み等によって、上下の金型１４，２４の姿勢に微小な傾斜がある場合でも、加圧に伴って適宜黒鉛シート１３が部分的に圧縮変形することにより、上下の金型１４，２４の平行度が確保される。すなわち、例えば、黒鉛シート１３のうち、より荷重がかかる部分が圧縮されることで黒鉛シート１３が上下の金型１４，２４の傾きが金型面に倣うように変形する。この結果傾きが黒鉛シート１３に吸収され、上下の金型１４，２４の平行度が確保される。図２に、以上の工程によりガラス基板３０が成形された成形品の一例としての基板３０ａを示す。

本実施形態にかかる成形装置１は以下に掲げる効果を奏する。
上下の金型１４，２４の間の平行度を確保することができる。したがって、プレス力が均一にかかるため、上金型１４と下金型２４の組み合わせ精度を向上させるとともに成形品の品質を向上することができる。

また、面方向と厚み方向で熱伝導率が異なる黒鉛シート１３を用いたことにより、単純な構成で、均一な加熱を可能とするとともに、断熱効果も得ることができる。すなわち、一般に赤外線ランプ４１からの距離に応じて生じる上下の金型１４，２４における部位毎の温度のばらつきを抑えつつ、成形装置の本体への熱影響を防止するとともに、上下の金型１４，２４の熱がプレス軸方向に逃げることも防止される。例えば、黒鉛シート１３を介在させない場合においては、金型の外周部を７００度に加熱した際に、外周部と中心部との間で約５℃の温度差が生じていたが、本実施形態においては黒鉛シート１３を介在させたことによりその温度差を０．５℃以内に抑えることが可能である。したがって、図２に示すような基板３０ａのように、微細パターンの形状を有する成形品であっても全面にムラなく転写することができる。

さらに、黒鉛シート１３を用いることで上記複数の効果を１つの部材で実現可能としたため、製造費用を低く抑えることが可能となる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る成形装置２について図３を参照して説明する。図３は、成形装置１を概略的に示す断面図である。なお、説明のため、適宜、構成を拡大、縮小または省略して示している。本実施形態の成形装置２において、黒鉛シート１３、２３の配置以外の構成については、上記第１実施形態の成形装置１と同様であるため、同符号を付して説明を省略する。

本実施形態における成形装置２において、黒鉛シート１３，２３は、上下それぞれの断熱軸１２，２２とプレス軸１１、２１との間に配置されている。この上方の黒鉛シート１３は上断熱軸１２の上端面と同形状であって１ｍｍ程度の厚さに構成されている。下方の黒鉛シート２３は下断熱軸２２の下端面と同形状であって１ｍｍ程度の厚さに構成されている。黒鉛シート１３，２３は上記第１実施形態と同様に段付ネジ１８によって、４箇所又は８箇所で、プレス軸１１，２１と断熱軸１２，２２の間にそれぞれ固定されている。

この成形装置２においても上記第１実施形態の成形装置１と同様の手順で成形工程が行われる。このとき、上記第１実施形態と同様に、上下の金型１４，２４が傾斜している場合でも黒鉛シート１３、２３が一部圧縮されることにより上下の金型１４，２４の平行度が修正される。さらに、黒鉛シート１３、２３により上下のプレス軸１１，２１と断熱軸１２，２２との間で断熱されるとともに、上下の金型１４，２４の面方向においては熱が伝わるため均一加熱が可能となる。

本実施形態においても上述した第１実施形態にかかる成形装置１と同様の効果が得られる。すなわち、１つの部材で、平行度の確保、断熱効果及び均一加熱を実現することができる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば上記各実施形態においては二つの黒鉛シート１３、２３を上下に設置した場合について例示したが、上下のどちらか一方のみとすることも可能である。さらに、第１実施形態及び第２実施形態を組み合わせ、黒鉛シート１３、２３を上下二箇所ずつに配置しても良い。これらの場合にも上記第１実施形態と同様に、加圧工程において余分に力がかかる箇所が圧縮変形することにより平行度が保たれるとともに断熱性及び均一加熱を実現できる。

また、上記各実施形態においては、被成形材としてガラス基板３０を例示したが、金属、樹脂、セラミックなどの他の材料も適用可能である。さらに、型として金型１４，２４を例示したが、他の材質も適用可能である。加熱手段としては上記の赤外線ランプヒータによるものの他に、シースヒータや高周波誘導加熱、セラミックやカーボンを電気抵抗体としたもの等も適用可能である。さらに、上金型１４のみが成形面１５を備えている場合について例示したが、上金型１４に代えて下金型２４に成形面を形成してもよいし、上金型１４に加えて下金型２４に成形面を形成し、両面成形可能としても良い。
この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

本発明の第１実施形態に係る成形装置を概略的に示す断面図。 本発明の第１実施形態に係る成形品の製造方法により成形される基板を示す斜視図。 本発明の第２実施形態に係る成形装置を概略的に示す断面図。

符号の説明

１，２…成形装置、１０…フレーム、１１…上プレス軸（支持部材）、２１…下プレス軸（支持部材）、１２…断熱軸上、２２…下断熱軸、１３．２３…黒鉛シート（弾性断熱部材）、１４…上金型（型）、２４…下金型（型）、３０…ガラス基板（被成形材）、３１…チャンバ、３３…成形室、４０…ランプユニット（加熱手段）、４５…サーボモータ、４６…スクリュージャッキ（加圧手段）、４７…制御装置。

Claims (5)

1. 支持部材によって、少なくとも一方が移動可能に支持された、一対の型と、
   前記一対の型の間に配された被成形材及び前記型を加熱する加熱手段と、
   前記一対の型の一方又は両方を移動させることにより、前記加熱により軟化した前記被成形材を加圧成形する加圧手段と、
   前記型の熱を前記支持部材に伝え難くするとともに、前記加圧によって弾性変形可能な弾性断熱部材と、
   を備えたことを特徴とする成形装置。
2. 前記加熱手段は前記型の外周に設けられ、
   前記弾性断熱部材の熱伝導率は方向によって異なることを特徴とする請求項１記載の成形装置。
3. 前記弾性断熱部材は、黒鉛シートであることを特徴とする請求項１記載の成形装置。
4. 前記弾性断熱部材は、前記支持部材と前記型との間に設けられていることを特徴とする請求項１記載の成形装置。
5. 一対の型と、この型を支持する支持部材の間に、前記型の熱を前記支持部材に伝え難くするとともに加圧されることにより弾性変形可能な弾性断熱部材を介在させ、前記一対の型の間に配された被成形材及び前記一対の型を加熱し、前記被成形材が熱軟化した状態で、前記一対の型のいずれか一方または両方を移動させることにより前記被成形材を加圧成形することを特徴とする成形品の製造方法。

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