JP2009184875A - 成形装置および成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形装置において、熱可塑性素材が実装された型セットの加熱のために投入されるエネルギーの利用効率を向上させる。
【解決手段】上型２と下型３の間にガラス素材５が実装された型セット１を、ヒータ９およびヒータ１１によって加熱される下側ヒータブロック１２および上側ヒータブロック１４で挟圧して成形する成形装置において、下側ヒータブロック１２および上側ヒータブロック１４の型セット１に対する当接面であるプレス面部１９として、放射率εが０≦ε≦０．３に設定された下側プレスプレート１３および上側プレスプレート１５を設け、本来の伝熱領域１９ａにおける伝熱経路１６以外の露出領域１９ｂにおける放熱経路１７での熱エネルギーの損失量を抑制し、型セット１の加熱のためにヒータ１１から下側ヒータブロック１２および上側ヒータブロック１４に投入される熱エネルギーの利用効率を向上させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、成形装置および成形品の製造方法に関し、たとえば、ガラス素材等の熱可塑性素材から光学素子等の成形品を製造する技術に関する。

近年、レンズ等の光学素子を高精度かつ安価に製造する成形装置として、加熱軟化したガラス素材を、成形用型によってプレスして成形した後に冷却および固化することで、成形用型が有する光学面形状や表面粗さが転写されたガラス素子を得る方法が用いられている。

特許文献１には、ガラス素材が実装された成形型セットを、加熱ゾーン、加圧ゾーン、冷却ゾーンの各ゾーンを通過させ、加熱ゾーンでは成形型セットの上下に加熱ブロックを接触させることにより成形型セットを加熱し、この成形型の成形面とガラス素材の接触箇所での伝熱によってガラス素材を加熱する技術が開示されている。

ところで、上述の特許文献１の成形装置では、上側の加熱ブロックと上型の上面との接触面、および下側の加熱ステージと下型の下面との接触面からの伝熱によって成形ブロックの加熱を行っているが、成形装置に投入される成形ブロックの大きさや形状は様々であり、この多様な形状の成形ブロックを投入して順次送り方式で成形できるように、加熱ステージや加熱ブロックの大きさを、想定される最大サイズの成形ブロックの寸法に合わせて設定する必要がある。

従って、比較的サイズの小さい成形ブロックを投入する場合には、加熱ステージや加熱ブロックの表面積のうち、成形ブロックに接触しない領域の面積が大きくなる可能性がある。

このため、加熱ステージや加熱ブロックにヒータから与えられる熱エネルギーの一部は、成形ブロックの加熱に有効に使用されることなく、加熱ステージや加熱ブロックの成形ブロックに接触していない領域からチャンバー内の雰囲気中に放散されて失われ、加熱エネルギー等のエネルギー効率の悪化の一因となっていた。
特開平４−１６４８２６号公報

本発明の目的は、熱可塑性素材が実装された型セットの加熱のために投入されるエネルギーの利用効率を向上させることが可能な成形装置および成形品の製造技術を提供することにある。

本発明の第１の観点は、熱可塑性素材を収容した型セットを加熱する加熱部材と、
前記加熱部材を介して前記型セットを加圧する加圧手段と、
前記型セットに接して前記加熱部材からの熱および前記加圧手段からの圧力を当該型セットに伝達し、表面の放射率εが０≦ε≦０．３であるプレス面部と、
を含む成形装置を提供する。

本発明の第２の観点は、熱可塑性素材を収容した型セットを加熱する加熱部材と、
前記加熱部材を介して前記型セットを加圧する加圧手段と、
前記型セットに接して前記加熱部材からの熱および前記加圧手段からの圧力を当該型セットに伝達し、表面が鏡面加工されたプレス面部と、
を含む成形装置を提供する。

本発明の第３の観点は、熱可塑性素材を収容した型セットを加熱および加圧して成形品を得る成形品の製造方法であって、
前記型セットに当接して圧および熱を伝えるプレス面部の放射率εを０≦ε≦０．３の範囲に設定して使用する成形品の製造方法を提供する。

本発明の第４の観点は、熱可塑性素材を収容した型セットを加熱および加圧して成形品を得る成形品の製造方法であって、
前記型セットに当接して圧および熱を伝えるプレス面部の表面を鏡面加工して使用する成形品の製造方法を提供する。

本発明によれば、熱可塑性素材が実装された型セットの加熱のために投入されるエネルギーの利用効率を向上させることが可能な成形装置および成形品の製造技術を提供することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
最初に、本発明の一態様について簡単に説明し、その後、図面を参照して詳細な説明を行う。

本実施の形態の一態様では、たとえば、ガラス素材を収容した型セットをヒータブロックによって加熱して光学素子を成形する光学素子の製造装置において、前記型セットの上面と下面に当接して、型セットにプレス圧と温度を伝えるプレス面部の熱放射特性を示す放射率εは０≦ε≦０．３の関係を満たす構成とする。

この場合、プレス面部をヒータブロックに当接するプレスプレートによって構成し、前記プレス面部の表面には、前記プレスプレートの母材の放射率よりも小さい放射率特性をもつ表面処理が施されている構成とすることができる。

この場合、前記プレス面部に施されている表面処理は、Ｃｒ，Ｔｉのいずれかの金属成分を含む皮膜である構成とすることができる。
この場合、前記プレス面部に施されている表面処理は、鏡面加工である構成とすることができる。

このような本実施の形態の一態様の技術によれば、プレスプレートの放射率を低くすることで、プレスプレートの型セットに接触していない面からの熱の放射量を少なくすることができる。そのため、ヒータブロックに投入された熱エネルギーのロスを減らし、成形装置のエネルギー効率を向上させることができる。

すなわち、プレス面部の放射率εが、たとえば、ε＞０．３のときには、プレス面部における伝熱領域以外からの熱の放射量が大きく、熱エネルギーのロスが大きかったが、本態様では、プレス面部の放射率εを０≦ε≦０．３の関係を満たすように構成している。そのため、型セットの加熱時において、プレス面部の型セットに接触していない面からの熱の放射量を抑えることができる。したがって、ヒータブロックに投入された熱エネルギーのロスを減らし、成形装置のエネルギー効率を向上することができる。

また、プレス面部をヒータブロックに当接するプレスプレートによって構成し、前記プレス面部の表面には、プレスプレートの母材の放射率特性よりも低い放射率特性を持つ表面処理が施されている。そのため、ヒータブロックの母材の放射率特性および、プレスプレートの母材の放射率特性によらず、プレス面部の放射率εを０≦ε≦０．３の関係を満たすように構成することができ、型セットの加熱時において、プレス面部の型セットに接触していない面からの熱の放射量を抑えることができる。したがって、ヒータブロックに投入された熱エネルギーのロスを減らし、成形装置のエネルギー効率を向上することができる。

また、プレス面部に施されている表面処理は、Ｃｒ，Ｔｉのいずれかの金属成分を含む被覆としている。そのため、プレス面部を耐摩耗性が高く、耐久性も高い構成とすることができ、プレス面部の放射率特性を安定的に維持することができる。したがって、長期間にわたり、ヒータブロックに投入された熱エネルギーのロスを減らし、成形装置のエネルギー効率を向上することができる。

また、プレス面部の表面の状態が鏡面でないときには、放射率が高かったため、プレス面部からの熱の放射量が大きく、熱エネルギーのロスが大きかったが、本様態では、プレス面部に鏡面加工を施してある。そのため、プレス面部の材質を変更することなく、放射率を低くすることができる。したがって、ヒータブロックに投入された熱エネルギーのロスを減らし、成形装置のエネルギー効率を向上させることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
本実施の形態では、熱可塑性素材としてガラス素材を用い、成形品として光学素子を成形する場合を例示するが、ガラス素材以外の樹脂等の熱可塑性素材を用いて、光学素子や、それ以外の一般の成形品に適用できることは言うまでもない。

図１は、本発明の一実施の形態である光学素子製造装置に投入される型セットの構成例を示す断面図である。図２は、本発明の一実施の形態である光学素子製造装置の作用の一例を模式的に示した概念図である。図３は、本発明の一実施の形態に係る光学素子製造装置の構成例を示す部分断面図である。

まず、図１を参照して、本実施の形態の光学素子製造装置Ｍ（成形装置）に投入される型セット１の構成例について説明する。
図１に例示されるように、本実施の形態の型セット１は、成形面２ａおよび成形面３ａが上下に対向した姿勢で配置された上型２および下型３と、これら上型２と下型３の外周に位置する円筒形状のスリーブ４とから構成され、上型２と下型３の成形面２ａと成形面３ａの間にガラス素材５（熱可塑性素材）が実装されている。

スリーブ４には、壁面を貫通してエアー抜き穴６が形成され、加圧成形時に接近する上型２と下型３の間の成形空間（キャビティ）から押し出された空気が外部に排出されるようになっている。

一方、図３に示されるように、上述の型セット１が投入される本実施の形態の光学素子製造装置Ｍは、上側ベース２２、下側ベース２３および側板２８から構成される成形室２５を備え、この成形室２５内には、加熱ステージ３０、プレスステージ３１、冷却ステージ３２が、図３の左右方向に順に配置されている。

成形室２５における加熱ステージ３０に臨む側板２８の外側には、投入台２０および投入爪２４が配置され、側板２８に設けられた投入シャッター２６を通じて、内部にガラス素材５が実装された型セット１が投入される構成となっている。

成形室２５における冷却ステージ３２に臨む側板２８には、排出シャッター２７および排出台２１が設けられ、成形済みの光学素子５ａ（成形品）を内包する型セット１が排出シャッター２７を通じて排出台２１の上に払い出される構成となっている。

加熱ステージ３０、プレスステージ３１、冷却ステージ３２の各ステージは、上側ベース２２の上部にシリンダ２９（加圧手段）が配置され、このシリンダ２９が上側ベース２２を貫通して配置された上軸３３を昇降させる構成となっている。

この上軸３３の下には、上から順に上側冷却ブロック３４、上側断熱ブロック３５、円柱形状のヒータ１１が埋設され上型２の上端面に当接する上側ヒータブロック１４（加熱部材）が配置されている。

この場合、図３には図示されていないが、後述のように、上側ヒータブロック１４の下面には、プレス面部１９としての上側プレスプレート１５が設けられている。
また、加熱ステージ３０、プレスステージ３１、冷却ステージ３２の各ステージは、下側ベース２３の上に下から順に、下側冷却ブロック３６、下側断熱ブロック３７、円柱形状のヒータ９が埋設され下型３の下端面が載置される下側ヒータブロック１２（加熱部材）が配置されている。

この場合、図３には図示されていないが、下側ヒータブロック１２の上面には、後述のプレス面部１９として機能する下側プレスプレート１３が設けられている。
次に、図２を参照して、型セット１との熱的なインタフェースである、上述のプレス面部１９として機能する上側プレスプレート１５および下側プレスプレート１３の構成および作用について説明する。

本実施の形態の光学素子製造装置Ｍの加熱機能部分は、それぞれ円筒形状のヒータ９およびヒータ１１の各々が内部に埋め込まれた下側ヒータブロック１２および上側ヒータブロック１４が型セット１を挟んで上下に対向する位置に配置されて構成されている。

上側ヒータブロック１４および下側ヒータブロック１２の各々と、上型２および下型３の各々との間には、それぞれ、上側プレスプレート１５および下側プレスプレート１３が配置されており、この上側プレスプレート１５および下側プレスプレート１３を介して、シリンダ２９からのプレス圧力、および下側ヒータブロック１２および上側ヒータブロック１４からの熱が型セット１に伝えられる構成となっている。

本実施の形態では、上側プレスプレート１５の上型２の上面と接触するプレス面部１９の放射率εと、下側プレスプレート１３の下型３の下面と接触するプレス面部１９の放射率εは、いずれも０≦ε≦０．３となるように表面処理を施している。

たとえば、下側プレスプレート１３および上側プレスプレート１５の各々におけるプレス面部１９において上述の放射率εを実現する表面処理として、本実施の形態では、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）の金属成分を含む皮膜１５ａおよび皮膜１３ａを、プレス面部１９として形成することで実現している。

または、このプレス面部１９（下側プレスプレート１３、上側プレスプレート１５の表面）を鏡面研磨して、下側プレスプレート１３および上側プレスプレート１５の各々に、放射率ε≒０の鏡面１３ｂおよび鏡面１５ｂを形成することで上述の放射率εの条件を実現している。

なお、上側プレスプレート１５および下側プレスプレート１３の各々において、プレス面部１９における皮膜１５ａおよび皮膜１３ａの形成と、鏡面研磨（鏡面１３ｂ、鏡面１５ｂの形成）を組み合わせて放射率εを実現してもよい。

以下、本実施の形態の型セット１および光学素子製造装置Ｍにおける光学素子の成形方法について説明する。
まず、投入シャッター２６を通じて、投入台２０に載置された型セット１を、投入爪２４によって加熱ステージ３０に投入することにより、加熱ステージ３０の下側プレスプレート１３上にガラス素材５を収容した型セット１を載置する。

そして、シリンダ２９により上軸３３を下降させ、上側プレスプレート１５を上型２に当接させ、上側ヒータブロック１４および下側ヒータブロック１２により、上下方向から上型２、下型３およびスリーブ４に伝熱による熱の移動を示す伝熱経路１６にて伝達させることにより型セット１を加熱する。

この時の熱の流れは、図２に模式的に図示するように、上側ヒータブロック１４および下側ヒータブロック１２からの熱は、上側プレスプレート１５および下側プレスプレート１３の各々の上型２および下型３（スリーブ４）の各々に対する接触領域である伝熱領域１９ａを介して、伝熱による熱の移動を示す伝熱経路１６で示される流れで、型セット１の上型２および下型３の各々に伝達される。

上側プレスプレート１５と下側プレスプレート１３の型セット１と接していない場所（伝熱領域１９ａ以外の露出領域１９ｂ）からは、輻射による熱の移動を示す放熱経路１７にて、成形室２５中の雰囲気に放散される。

このとき、本実施の形態の場合には、プレス面部１９が、その放射率εが、上述のように０≦ε≦０．３となるように設定されていることにより、プレス面部１９における伝熱領域１９ａ以外の露出領域１９ｂからの放熱経路１７による熱の放散を効果的に抑制でき、露出領域１９ｂからの放熱による熱エネルギーの損失を防止できる。

加熱ステージ３０で、型セット１に実装されたガラス素材５を、当該ガラス素材５の転移点以上で且つ軟化点以下まで加熱して軟化させた後、型セット１は、次のプレスステージ３１に移載される。

プレスステージ３１上では、下側ヒータブロック１２および上側ヒータブロック１４で型セット１を挟持することによってガラス素材５の温度を維持し、シリンダ２９の駆動により上型２を押圧することで、上型２および下型３の成形面２ａおよび成形面３ａの形状をガラス素材５に転写する。

次に、型セット１は、冷却ステージ３２に移載される。そして、シリンダ２９により上軸３３を下降させ、上側プレスプレート１５を上型２に当接させ、上側プレスプレート１５および下側プレスプレート１３によって上下方向から型セット１に伝熱させて型セット１（光学素子５ａ）を冷却する。

次に、所定の冷却温度まで冷却された型セット１は、成形室２５の外に排出され、その後、型セット１を分解して光学素子５ａを取り出すことにより、ガラス素材５の成形による光学素子５ａの製造が完了する。

本実施の形態によれば、型セット１に実装されたガラス素材５の加熱に際し、熱の放射による放熱経路１７における熱量損失は放射率εに比例し、本実施の形態では、プレス面部１９の放射率εが０≦ε≦０．３と従来よりも小さいため、放熱経路１７における熱量損失を、従来よりも小さくすることができる。

したがって、下側ヒータブロック１２と上側ヒータブロック１４とで型セット１を加熱するためにヒータ９およびヒータ１１から投入される熱のロスが小さくなる。
換言すれば、ヒータ９およびヒータ１１から光学素子製造装置Ｍに投入される熱量を必要以上に大きくすることなく、型セット１に実装されたガラス素材５を目的の成形温度まで短時間に効率よく加熱することが可能になる。

よって、本実施の形態によれば、光学素子製造装置Ｍのエネルギー効率を向上させ、型セット１を用いた光学素子５ａの製造における生産効率を向上させることができる。
また、本実施の形態では、上側ヒータブロック１４に当接する上側プレスプレート１５のプレス面部１９、および下側ヒータブロック１２に当接する下側プレスプレート１３の各々に皮膜１５ａおよび皮膜１３ａをプレス面部１９として形成することで上述の放射率εを実現しているため、下側ヒータブロック１２、上側ヒータブロック１４、上側プレスプレート１５、及び下側プレスプレート１３の各々の母材の放射率（材質）に関わらず、低い放射率εでプレス面部１９を構成することができる、という利点もある。

したがって、たとえば、下側ヒータブロック１２、下側プレスプレート１３および上側ヒータブロック１４、上側プレスプレート１５を構成する材質に制約を受けることなく、型セット１の加熱のために投入される熱エネルギーの放散によるロスを減らして、光学素子製造装置Ｍのエネルギー効率を向上させることができる。

また、本実施の形態では、下側プレスプレート１３および上側プレスプレート１５のプレス面部１９において、Ｃｒ，Ｔｉのいずれかの金属成分を含む皮膜１３ａおよび皮膜１５ａを形成する表面処理が施されている。

そのため、下側プレスプレート１３および上側プレスプレート１５の各々のプレス面部１９を耐摩耗性が高く、耐久性も高い構成とすることができ、プレス面部１９の放射率εを安定的に維持することができる。

したがって、長期間にわたり、下側ヒータブロック１２や上側ヒータブロック１４における熱エネルギーの損失量の抑制効果を安定に持続し、光学素子製造装置Ｍのエネルギー効率を向上させることができる。

また、プレス面部１９の表面の状態が鏡面でないときには、放射率が高くなることが予想され、プレス面部１９の露出領域１９ｂからの熱の放射量が大きく、熱エネルギーのロスが大きくなる。

これに対して、本実施の形態では、下側プレスプレート１３および上側プレスプレート１５の各々のプレス面部１９に鏡面加工を施して（鏡面１３ｂ、鏡面１５ｂの形成）、放射率εを実現することもできる。そのため、プレス面部１９の材質を変更することなく、放射率を低くすることができる。

したがって、下側ヒータブロック１２や上側ヒータブロック１４に投入される熱エネルギーの損失量を減らし、光学素子製造装置Ｍのエネルギー効率を向上させることができる。

上述のように、本発明の実施の形態によれば、プレス面部からの放熱による熱エネルギーの損失を抑制できるため、下側ヒータブロック１２や上側ヒータブロック１４に投入される熱エネルギーの損失量を減らし、光学素子製造装置Ｍのエネルギー効率を向上させることができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
たとえば、上述の実施の形態では、下側ヒータブロック１２および上側ヒータブロック１４の対向面のプレス面部１９における放射率εを制御する例を示したが、下側ヒータブロック１２および上側ヒータブロック１４の側面や背面の放射率εを同様に制御して、熱エネルギーの損失量をより低減する構成とすることもできる。

また、上述の本実施の形態においては、光学素子製造装置Ｍの構成の一例として、ガラス素材５が実装された型セット１を、加熱、プレス、冷却の工程毎に搬送するいわゆる型循環型の装置構成を例示して説明したが、型セット１に対して加熱、プレス、冷却の各工程を１つのステージ上で連続して行う装置構成や、４つ以上のステージにおいて型セット１の成形を並行して行う装置構成でも同様の効果を得ることが出来る。

本発明の一実施の形態である光学素子製造装置に投入される型セットの構成例を示す断面図である。 本発明の一実施の形態である光学素子製造装置の作用の一例を模式的に示した概念図である。 本発明の一実施の形態に係る光学素子製造装置の構成例を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 型セット
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
５ａ 光学素子
６ エアー抜き穴
９ ヒータ
１１ ヒータ
１２ 下側ヒータブロック
１３ 下側プレスプレート
１３ａ 皮膜
１３ｂ 鏡面
１４ 上側ヒータブロック
１５ 上側プレスプレート
１５ａ 皮膜
１５ｂ 鏡面
１６ 伝熱経路
１７ 放熱経路
１９ プレス面部
１９ａ 伝熱領域
１９ｂ 露出領域
２０ 投入台
２１ 排出台
２２ 上側ベース
２３ 下側ベース
２４ 投入爪
２５ 成形室
２６ 投入シャッター
２７ 排出シャッター
２８ 側板
２９ シリンダ
３０ 加熱ステージ
３１ プレスステージ
３２ 冷却ステージ
３３ 上軸
３４ 上側冷却ブロック
３５ 上側断熱ブロック
３６ 下側冷却ブロック
３７ 下側断熱ブロック
Ｍ 光学素子製造装置
ε 放射率

Claims (12)

1. 熱可塑性素材を収容した型セットを加熱する加熱部材と、
   前記加熱部材を介して前記型セットを加圧する加圧手段と、
   前記型セットに接して前記加熱部材からの熱および前記加圧手段からの圧力を当該型セットに伝達し、表面の放射率εが０≦ε≦０．３であるプレス面部と、
   を含むことを特徴とする成形装置。
2. 請求項１記載の成形装置において、
   前記プレス面部は、前記加熱部材と前記型セットとの間に介在するプレスプレートからなり、前記プレスプレートの表面には、前記プレスプレートの母材の放射率よりも小さい前記放射率εを持つ表面処理が施されていることを特徴とする成形装置。
3. 請求項２記載の成形装置において、
   前記プレスプレートに施されている前記表面処理は、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）のいずれかの金属成分を含む皮膜であることを特徴とする成形装置。
4. 請求項２記載の成形装置において、前記プレスプレートに施されている前記表面処理は、鏡面加工であることを特徴とする成形装置。
5. 熱可塑性素材を収容した型セットを加熱する加熱部材と、
   前記加熱部材を介して前記型セットを加圧する加圧手段と、
   前記型セットに接して前記加熱部材からの熱および前記加圧手段からの圧力を当該型セットに伝達し、表面が鏡面加工されたプレス面部と、
   を含むことを特徴とする成形装置。
6. 請求項５記載の成形装置において、
   前記プレス面部の表面はクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）のいずれかの金属成分を含む皮膜で構成されていることを特徴とする成形装置。
7. 熱可塑性素材を収容した型セットを加熱および加圧して成形品を得る成形品の製造方法であって、
   前記型セットに当接して圧および熱を伝えるプレス面部の放射率εを０≦ε≦０．３の範囲に設定して使用することを特徴とする成形品の製造方法。
8. 請求項７記載の成形品の製造方法において、
   前記プレス面部の表面には、当該プレス面部の母材の放射率よりも小さい前記放射率εを持つ表面処理を施して使用することを特徴とする成形品の製造方法。
9. 請求項８記載の成形品の製造方法において、
   前記プレス面部に、前記表面処理として、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）のいずれかの金属成分を含む皮膜を形成して使用することを特徴とする成形品の製造方法。
10. 請求項８記載の成形品の製造方法において、
    前記プレス面部に、前記表面処理として鏡面加工を行って使用することを特徴とする成形品の製造方法。
11. 熱可塑性素材を収容した型セットを加熱および加圧して成形品を得る成形品の製造方法であって、
    前記型セットに当接して圧および熱を伝えるプレス面部の表面を鏡面加工して使用することを特徴とする成形品の製造方法。
12. 請求項１１記載の成形品の製造方法において、
    前記プレス面部の表面に、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）のいずれかの金属成分を含む皮膜を形成して使用することを特徴とする成形品の製造方法。