JP2009091201A - 光学素子成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成形型の円周方向で均一な加熱を実現可能な光学素子成形装置を提供する。
【解決手段】一対の上下型１０、２０からなる成形型と、成形型の周囲に配置された加熱ユニット７０とを備え、成形型の間に成形素材を配置し、加熱ユニットにより成形型および成形素材を加熱してプレス成形を行う光学素子成形装置が提供される。本光学素子成形装置は、成形型が加熱ユニットの略中央に配され、成形型の中心軸Ｐを中心軸として加熱ユニットを回動させる回動手段１００を設けたことを特徴とする。成形型が加熱ユニットの略中央に配され、成形型の中心軸を中心として加熱ユニットが回動するので、熱源ランプ７２の形状・配列にかかわらずに、成形型の円周方向で均一な加熱を実現することができる。これにより、不均一な温度分布に起因する形状精度のバラツキなどの問題を解消することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子成形装置に関する。

近年、レンズ、プリズムや光通信部品など、高い光学特性を要求されるガラス製の光学素子がプレス成形により大量生産されている。プレス成形では、溶融ガラスを型内で冷却して成形素材（プリフォーム）を作製し、成形素材を高精度の成形面を備えた成形型内に配置する。そして、成形型を介して成形素材をガラスの屈伏点付近の温度まで加熱した後にプレスし、成形面の形状を成形素材に転写することで光学素子が成形される。

成形素材の加熱に際しては、一般的に、成形型の周囲に配置された熱源から成形型の外周面に熱線を放射し、熱線の輻射熱により成形型を加熱し、加熱された成形型からの熱伝達によって成形素材が加熱される。熱線による輻射加熱は、熱板加熱、高周波誘導加熱などの他の加熱方法に比して、熱効率が高いので、加熱速度を向上させ、成形工程を短縮することができる。

光学素子成形装置を構成する従来の加熱ユニットは、半円弧状の熱源ランプおよび反射ミラーを各々２つ組合せて略環状としたものを、さらに上下方向に複数段積重ねて構成されている場合がある。この種の加熱ユニットでは、熱源ランプの円周方向の付合せ部に、端子部を設けるための隙間が生じてしまう。このため、熱源ランプの隙間によって、成形型の円周方向で不均一な温度分布が生じてしまい、高い形状精度を要求される光学素子の成形に際しては、不均一な温度分布に起因する非点収差が問題となる。また、１つの成形型に複数の成形素材を配列し、複数の光学素子を同時に成形する場合には、成形素材の配列に応じて光学素子間で生じる形状精度のバラツキが問題となる。

上記のような問題を解決するために、下記特許文献１は、加熱ユニットを、縦方向の軸を有し、成形型の回りに円周方向に配列された複数の直管状の熱源ランプによって構成した光学素子成形装置を開示している。この光学素子成形装置は、加熱ユニットを複数の直管状の熱源ランプによって構成することで、成形型の円周方向で均一な加熱を実現している。しかし、かかる成形装置を利用するために、従来の加熱ユニットを利用しているユーザは、加熱ユニット、または光学素子成形装置自体を交換する必要が生じてしまう。また、上下方向に延在する直管状の熱源ランプを用いるので、上下型の加熱温度を別々に設定することは困難である。

特開２００２−１２４３２号公報

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、成形型の円周方向で均一な加熱を実現可能な、新規かつ改良された光学素子成形装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、一対の上下型からなる成形型と、成形型の周囲に配置された加熱ユニットとを備え、成形型の間に成形素材を配置し、加熱ユニットにより成形型および成形素材を加熱してプレス成形を行う光学素子成形装置が提供される。本光学素子成形装置は、成形型が加熱ユニットの略中央に配され、成形型の中心軸を中心軸として加熱ユニットを回動させる回動手段を設けたことを特徴とする。

かかる構成によれば、成形型が加熱ユニットの略中央に配され、成形型の中心軸を中心軸として加熱ユニットが回動するので、熱源ランプの形状・配列にかかわらずに、成形型の円周方向で均一な加熱を実現することができる。これにより、不均一な温度分布に起因する形状精度のバラツキなどの問題を解消することができる。

また、上記加熱ユニットは、中心軸に直交する断面において、円弧状の熱源ランプを複数組合せた略環状の形状を有し、熱源ランプの周方向の付合せ部に隙間が形成されてもよい。かかる構成によれば、従来の加熱ユニットを利用する場合でも、熱源ランプのうち熱線を放射しない付合せ部が周方向に移動するので、成形型の円周方向で均一な加熱を実現することができる。また、加熱ユニットが熱源ランプを組合せて略環状としたものを、上下方向に複数段積重ねて構成されているので、上型に対面する上段の熱源ランプと、下型に対面する下段の熱源ランプとを別々に制御することで、上下型の加熱温度を別々に設定することができる。

また、上記一対の上下型の対向面には、複数の成形素材を各々に配置するための成形面が対向面の周方向に略等間隔で設けられてもよい。かかる構成によれば、複数の光学素子を同時に成形する場合でも、成形型の配列に応じて光学素子間で生じる形状精度のバラツキを抑えることができる。

本発明によれば、成形型の円周方向で均一な加熱を実現可能な光学素子成形装置を提供することができる。

以下に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（光学素子成形装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る光学素子成形装置を示す説明図である。図１に示すように、成形装置は、上型１０、下型２０、固定軸３０、移動軸４０、駆動装置６０、および加熱ユニット７０を含んで構成される。

上型１０は、フレーム２の上部から下方に延設された固定軸３０の下端面に断熱筒３２を介して装着されている。上型１０は、コア金型１２、金型プレート１４、コア金型１２を金型プレート１４に固定するモールド（固定）金型１６で構成される。下型２０は、上型１０に対向するようにフレーム２の下部から上方に延設された移動軸４０の上端面に断熱筒４２を介して装着されている。下型２０は、コア金型２２、金型プレート２４、コア金型２２を金型プレート２４に固定するモールド（移動）金型２６で構成される。断熱筒３２、４２は、上型１０および下型２０と、固定軸３０および移動軸４０との間の熱伝達を抑制する。

金型プレート１４には、成形面を形成された複数のコア金型１２が、例えば、周方向に略等間隔で配列され、複数のコア金型１２がモールド金型１６により金型プレート１４に固定されている。金型プレート２４には、コア金型１２に対向する成形面を形成された複数のコア金型２２が周方向に略等間隔で配列され、複数のコア金型２２がモールド金型２６により金型プレート２４に固定されている。

モールド金型１６、２６の互いに対向する面には、プレス成形に際して上型１０と下型２０との間の位置決めを規制するために、少なくとも２箇所に位置決めピン１７および位置決め孔２７の組合せが設けられている。

固定軸３０は、上部プレート３４に設けられた開口部を貫通しており、上部プレート３４が上下方向に駆動される。開口部にはシーリングが施されており、上部プレート３４は、固定軸３０との間で気密性を保持しながら上下方向に摺動する。移動軸４０は、下部フレーム４に設けられた開口部を貫通しており、下部プレート４４が下部フレーム４に固定される。開口部にはシーリングが施されており、移動軸４０は、下部フレーム４との間で気密性を保持しながら上下方向に摺動する。

上型１０、下型２０、断熱筒３２、４２、固定軸３０の下端部および移動軸４０の上端部は、熱伝達性を有する石英などで形成された内筒５２により囲まれ、気密性が保持された成形室５０を構成するように密閉されている。

駆動装置６０は、モータ６２などを駆動源としており、移動軸４０の移動量を検出する位置センサ（不図示）が設けられ、移動軸４０の下端に荷重検出器６４を介して接続されている。駆動装置６０は、位置、速度（プレス力の変化勾配）、および軸加重（プレス力）を制御されながら、移動軸４０を上下方向に移動させる。

加熱ユニット７０は、内筒５２の周囲に配置された外筒５４に装着され、例えば、赤外線ランプ、ハロゲンランプなど、熱線を放射するランプ７２、および反射ミラー７４を含む。加熱ユニット７０は、後述するように、環状のランプを上下方向に複数段積重ねて構成される。加熱ユニット７０では、上型１０および下型２０に装着された温度測定用の熱電対（不図示）を通じて、熱線の輻射熱による温度および温度変化（温度変化勾配）を制御されながら、ランプ７２の出力が調整される。加熱ユニット７０は、ランプ７２から上型１０、下型２０の外周面に熱線を放射し、熱線の輻射熱により上型１０、下型２０を加熱し、加熱された上型１０および下型２０からの熱伝達によって成形素材を加熱する。

加熱ユニット７０、内筒５２、外筒５４およびそれらの付帯設備は、上部プレート３４の下側に固定され、別の駆動装置（不図示）によって、一体的に上方に引き上げ可能である。よって、下型２０に対する成形素材の配置、および成形された光学素子の取出しに際して、加熱ユニット７０、内筒５２および外筒５４を上方に退避させることで、成形室５０内を開放することができる。

成形装置は、ガス貯蔵タンク（不図示）から固定軸３０を介して断熱筒３２に設けられた給気口３３に至る給気路と、ガス貯蔵タンクから移動軸４０を介して断熱筒４２に設けられた給気口４３に至る給気路とを有する。また、成形装置は、上部プレート３４に設けられた排気口３５からガス貯蔵タンクに接続された排気路と、下部プレート４４に設けられた排出口４５から真空吸引装置（不図示）に接続された排出路とを有する。

給気路は、経路上に設けられた給気バルブ（不図示）を制御されながら、ガス貯蔵タンクから成形室５０に対して所定のガス（例えば、窒素ガスなどの不活性ガス）を供給する。排気路は、経路上に設けられた排気バルブ（不図示）を制御されながら、成形室５０からガス貯蔵タンクに対して所定のガスを排気する。排出路は、経路上に設けられた排出バルブ（不図示）を制御されながら、真空吸引装置により成形室５０内の大気を外部に排出する。

（プレス成形の概要）
光学素子のプレス成形は、前述したような成形装置を用いて行われる。ここで、光学素子のプレス成形の概要について説明する。プレス成形は、一般的に、パージ、加熱（昇温、均熱）、プレス、冷却（徐冷、急冷）の各工程からなる。

プレス成形に際して、まず、下型２０に成形素材が配置される。パージ工程では、真空吸引装置により成形室５０内の大気が排出され、真空状態の成形室５０内にガス貯蔵タンクから窒素ガスが供給されることで、成形室５０内の大気が窒素ガスに置換（パージ）される。昇温工程では、成形型１０、２０に装着された熱電対などを用いて、加熱ユニット７０を制御しながら、ランプ７２から放射される熱線により成形型１０、２０を介して成形素材が加熱される。均熱工程では、加熱ユニット７０を制御しながら、昇温工程で加熱された成形素材が所定のプレス温度に保たれる。

プレス工程では、荷重検出器６４および位置センサを用いて、駆動装置６０のプレス力・移動量を制御しながら、下型２０が所定の位置まで上昇され、上型１０および下型２０により成形素材がプレスされる。徐冷工程では、窒素ガスの供給による冷却、加熱ユニット７０による加熱を用いて、成形室５０内の温度を制御しながら、成形素材が所定の温度まで徐々に冷却される。急冷工程でも、成形室５０内の温度を制御しながら、成形素材が所定の温度まで急激に冷却される。急冷工程が完了すると、光学素子が成形型１０、２０から離型され、成形室５０から取り出される。

（光学素子成形装置の実施形態）
図１には、加熱ユニット７０の略中央に配された上下型１０、２０の中心軸Ｐを中心として、加熱ユニット７０を回動させる回動手段１００の一例が示されている。

図１に例示する回動手段１００は、例えば、上部プレート３４上に配置されたモータなどの駆動部１４０を含んで構成される。前述したように、上部プレート３４は、加熱ユニット７０、内筒５２、外筒５４およびそれらの付帯設備を固定している。また、上部プレート３４は、成形素材の配置および光学素子の取出しなどに際して、固定された設備とともに上方に退避される。このため、本実施形態では、上部プレート３４のうち、少なくとも加熱ユニット７０が固定された部分を、他の部分に対して回動可能な回転部１１０として機能させ、他の部分を固定部１２０として機能させるように構成する。

この場合、回転部１１０は、固定部１２０に対して回動可能な状態で支持され、例えば、固定部１２０に駆動部１４０が配置される。ここで、回転部１１０は、相対的な回転運動の摩擦を低減する、例えば、ベアリングのような摩擦低減部材１３０を介して固定部１２０に支持される。駆動部１４０の駆動力は、例えば、駆動部１４０の駆動軸１４２に設けられた主動ギア１４４を介して、回転部１１０に設けられた従動ギア１１２に伝達される。これにより、駆動軸１４２の回転運動がギア１４４、１１２を介して回転部１１０の回動運動に変換され、回転部１１０に固定された加熱ユニット７０が上下型１０、２０（固定軸３０）の中心軸Ｐを中心として回動可能となる。

なお、図１には、回転部１１０に加熱ユニット７０および外筒５４が固定され、固定部１２０に内筒５２が固定される場合が示されているが、回転部１１０に加熱ユニット７０のみが固定され、または、回転部１１０に加熱ユニット７０、内筒５２、外筒５４が固定されてもよい。また、駆動部１４０が回転部１１０に配置され、従動ギア１１２が固定部１２０に配置されてもよい。あるいは、駆動部１４０は、上部プレート３４の一部である固定部１２０に配置される代わりに、例えば、フレーム２などに固定して配置されてもよい。この場合、駆動部１４０の駆動力は、回転部１１０に設けられた従動ギア１１２に対して、ギア群、回転軸、回転ベルトなどの動力伝達手段を介して伝達される。

（本実施形態による効果）
図２は、従来の問題点と比較しながら、本実施形態に係る光学素子成形装置による効果を示す説明図である。図２は、下型２０の周方向に略等間隔で設けられたコア金型２２の配置とともに、加熱ユニット７０の横方向断面を示している。図２（Ａ）には従来の問題点、図２（Ｂ）には本実施形態による効果が示されている。

加熱ユニット７０は、図２に示すように、半円弧状のランプ７２および反射ミラー７４を各々２つ組合せて略環状にしたものを、上下方向に複数重ねて構成されている。ランプ７２の両端からはフィラメントなどの発熱体７３が導出されて反射ミラー７４の背面に引出されており、発熱体７３の先端部には、絶縁ガラス７７を伴い、加熱ユニット７０の外部に設けられた配線に接続される端子部７６が設けられる。

端子部７６は、加熱ユニット７０の放熱による破損を防止するために、例えば、冷却ガスの吹付けなどの冷却手段を用いて冷却されている。このため、配線の取回し、冷却手段の配置などに起因して、ランプ７２の上下方向に一列に設けられた付合せ部７８に、端子部７６を設けるための隙間が生じてしまう。

そして、ランプ７２の付合せ部７８からは熱線が放射されないので、成形型１０、２０の外周面のうち付合せ部７８に面した部分（図２に示す領域“Ａ”）に対して、ランプ７２から放射される熱線の量が相対的に少なくなり、成形型１０、２０が均一に加熱されないことになる。これにより、成形型１０、２０の円周方向で不均一な温度分布が生じてしまい、不均一な温度分布に起因して、成形素材の配列に応じて光学素子間で生じる形状精度のバラツキなどが問題となる。

このため、本実施形態に係る光学素子成形装置では、前述したように、加熱ユニット７０の略中央に配された成形型１０、２０の中心軸Ｐを中心として、加熱ユニット７０を回動させる回動手段１００が設けられている。

ここで、図１に示した回動手段１００は、駆動部１４０により発生される駆動力を制御することによって回転部１１０の回動を制御する制御部（不図示）に接続されている。制御部は、ランプ７２の付合せ部７８が１８０°の間隔で設けられている場合には、図２（Ｂ）に示すように、回転部１１０が所定の回転基準点に対して±９０°の範囲で往復運動を行うように、駆動部１４０を制御する。すなわち、制御部は、例えば、回転部１１０が所定の回転基準点から時計回りに９０°回動すると、駆動部１４０により発生される駆動力の方向を反転させ、回転部１１０を反時計回りに１８０°回動させ、回転部１１０が反時計回りに１８０°回動すると、駆動力の方向を再び反転させる。

回転部１１０の往復運動は、加熱ユニット７０が固定された回転部１１０に各種配線が接続されているので、連続回転によって配線のよじれなどの問題が発生することを回避するために行われる。このため、かかる問題が発生しない場合には、制御部は、連続回転を行うように、回転部１１０の回動を制御してもよい。また、制御部は、必要に応じて、回転部１１０が±９０°以外の範囲で往復運動を行うように、駆動部１４０を制御してもよい。

また、制御部は、駆動部１４０により発生される駆動力を一定に維持し、回転部１１０が一定の回転速度で回動するように、駆動部１４０を制御する。また、制御部は、機能障害などによって、駆動部１４０により発生される駆動力が過大になった場合には、回転部１１０の回動を緊急停止するように、駆動部１４０を制御する。

これにより、回動手段１００では、制御部によって、成形型１０、２０の外周面の異なる部分に対して、付合せ部７８が同一の周期で対向するように制御されるので、成形型１０、２０の円周方向で均一な加熱が実現される。また、加熱ユニット７０がランプ７２を組合せて略環状としたものを、上下方向に複数段積重ねて構成されているので、上型１０に対面する上段のランプ７２と、下型２０に対面する下段のランプ７２とを別々に制御することで、上下型１０、２０の加熱温度を別々に設定することができる。

以上説明したように、本発明の一実施形態に係る光学素子成形装置によれば、成形型１０、２０が加熱ユニット７０の略中央に配され、成形型１０、２０の中心軸Ｐを中心軸として加熱ユニット７０が回動するので、熱源ランプ７２の形状・配列にかかわらずに、成形型１０、２０の円周方向で均一な加熱を実現することができる。これにより、不均一な温度分布に起因する形状精度のバラツキなどの問題を解消することができる。また、従来の加熱ユニット７０を利用しているユーザは、加熱ユニット７０を含む成形装置に改良を加えることにより、加熱ユニット７０または成形装置自体を交換することなしに、成形型１０、２０の円周方向で均一な加熱を実現することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記説明では、複数の成形素材を同時に成形する光学素子成形装置の場合について説明した。しかしながら、本発明は、単一の成形素材を成形する光学素子成形装置の場合についても同様に適用可能なものである。

本発明の一実施形態に係る光学素子成形装置を示す説明図である。 従来の問題点と比較しながら、本実施形態に係る光学素子成形装置による効果を示す説明図である。

符号の説明

１０ 上型
２０ 下型
７０ 加熱ユニット
７２ ランプ
７８ 付合せ部
１００ 回動手段

Claims (3)

1. 一対の上下型からなる成形型と、前記成形型の周囲に配置された加熱ユニットとを備え、前記成形型の間に成形素材を配置し、前記加熱ユニットにより前記成形型および前記成形素材を加熱してプレス成形を行う光学素子成形装置において、
   前記成形型が前記加熱ユニットの略中央に配され、前記成形型の中心軸を中心軸として前記加熱ユニットを回動させる回動手段を設けたことを特徴とする、光学素子成形装置。
2. 前記加熱ユニットは、中心軸に直交する断面において、円弧状の熱源ランプを複数組合せた略環状の形状を有し、前記熱源ランプの周方向の付合せ部に隙間が形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子成形装置。
3. 前記一対の上下型の対向面には、複数の成形素材を各々に配置するための成形面が対向面の周方向に略等間隔で設けられたことを特徴とする、請求項１または２に記載の光学素子成形装置。

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