JP2010116297A - 光学素子の製造装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な温度制御を行うことが可能な光学素子の製造装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】加熱された成形型で熱間プレスする、光学素子の製造装置において、前記成形型の温度を検出するための温度検出子の出力を用いて前記成形型の温度を計測する温度検出部と、前記温度検出部で計測した温度に含まれる計測誤差を算出して、温度補正を行う演算部と、を備え、補正された温度に基づき前記成形型の温度を制御することを特徴とする光学素子の製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度制御された成形型で加熱したガラス、プラスチック等を成形するための製造装置及びその製造方法に関する。特に、測温精度が、成形品の精度、外観等の良否に影響を及ぼす、高精度な光学素子を成形するための製造装置及び製造方法に関する。

光学素子を安価及び高精度に製造する技術として、ガラスモールド成形法がある。この成形法においては、成形型の温度制御のための温度検出に、熱電対等の温度検出子が使用されている。しかし、この温度検出子は、厳しい環境下に置かれていると経時変化等で劣化することがある。そのため、同じプロセスを設定していても、温度検出子の劣化により、実際の温度を目的の温度に制御できていないことがある。よって、これが原因で成形品の面精度や外観等の不良が発生することがある。

こういった温度検出子の劣化等が起こっても、理想の温度プロセスに調整する方法が特許文献１及び特許文献２に開示されている。その方法とは、プレス時のガラスの粘度や変形量を基準に相対的なプロセス調整を行う方法である。
特開平１０−３６１３１号公報 特開２００１−５８８３７号公報

しかしながら、上記方法では、ガラスの粘度や変形量を計測及びフィードバックするプロセス調整をプレス時にのみしか実行することができず、プレス時以外のプロセス調整を行うことはできない。また、相対的な調整になってしまうため、実際にはどういうプロセスを行っていたかを絶対値で知ることができない。そのため、同じ成形品を異なる製造装置で成形しようとする場合に、元のプロセス条件と同じ条件を異なる製造装置に設定しても、必ずしも２つの製造装置間で同様のプロセスが再現されない問題があった。

本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、高精度な温度制御を行うことが可能な光学素子の製造装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、加熱された成形型で熱間プレスする、光学素子の製造装置において、前記成形型の温度を検出するための温度検出子の出力を用いて前記成形型の温度を計測する温度検出部と、前記温度検出部で計測した温度に含まれる計測誤差を算出して、温度補正を行う演算部と、を備え、補正された温度に基づき前記成形型の温度を制御することを特徴とする。

また、本発明は、加熱された成形型で熱間プレスする、光学素子の製造方法において、前記光学素子の成形中に、前記成形型の温度を検出するための温度検出子の出力を用いて、温度検出部によって前記成形型の温度を計測する工程と、計測された温度に含まれる計測誤差を演算部によって算出して温度補正を行い、補正された温度に基づき前記成形型の温度を制御する工程と、を有することを特徴とする。

本発明の製造装置によれば、インプロセスで、温度検出部で得られた温度に含まれる温度検出子の誤差を補正することができる。また、本発明の製造方法によれば、インプロセスで、温度検出部で得られた温度に含まれる温度検出子の誤差を補正して成形型の温度制御を高精度に行うことができる。

最初に、本発明の光学素子の製造装置の一実施形態の構成について説明する。

図１に示されているのは、本発明のガラス光学素子の製造装置の一実施形態の構成図である。参照番号１は成形型、参照番号２は成形型１を案内するための胴型、参照番号３は成形型１及び胴型２を加熱するための加熱部材（ヒーター）、参照番号４は加熱部材３に供給する電力量を調節する電源、参照番号５は温度検出子を示している。本実施形態では、温度検出子５としてシースタイプの熱電対を用いているが、測温抵抗体、サーミスタ又は放射温度計等の他の適切な装置を使用することもできる。さらに、参照番号６で示されているのは制御用の計算機である。計算機６の中には、温度検出子５で計測された電圧や抵抗値といった出力を温度に変換する温度検出部、その温度を補正する演算部（以下、温度補正演算部と呼ぶ）、及び温度補正演算部で補正された温度を基に温度制御する温度制御部が組み込まれている。また、温度検出部、演算部及び温度制御部を専用のＩＣを用いて構成してもよい。これらは、ガラス素子成形中に動作しており、特に、温度補正演算部は、１ショットごとに逐次、必要があれば温度検出子により計測された温度が正常な値になるように補正している。温度の補正量は、予め測定された温度検出子の計測誤差の経時変化データとの比較や、温度カーブの傾き変化等を検出することで行われる。温度補正演算部で補正された温度と予め決められた設定温度との差分から、ＰＩＤ制御によりヒータに供給する電力量を調節することで、成形型の温度制御が行われている。

次に、光学素子の成形中に、上記温度補正演算部によって温度検出子の経時変化データに基づき温度を補正しながら光学素子を製造する方法の実施形態について説明する。ここで、経時変化データとは、温度検出子の温度履歴によって生ずる温度検出子の出力変化のことである。

まず、温度検出子の経時変化データについて以下に示す。図２（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態で用いるＫタイプ熱電対の起電力の経時変化を劣化試験温度ごとに示したものである。劣化試験とは、被検体である熱電対を一定温度で加熱、放置しておく試験のことである。劣化試験温度とは、劣化試験の設定温度のことである。図２（ａ）は劣化試験温度５００℃、図２（ｂ）は同６００℃のときの補正量と経過時間との関係である。経過時間とは、劣化試験で放置した時間のことである。経過時間が０時間のデータは、新品の状態から温度検出子が持っている誤差（以下、初期誤差）であり、劣化試験温度に関わらずに一定となる。補正量は、温度検出子により計測された値に対して加算する温度のことである。例えば、劣化試験温度が６００℃で、経過時間が５０００時間の履歴を持つ温度検出子を用いて計測された温度が４００．０℃となった場合は、図２より補正量が４．０℃となるので、補正後の温度は４０４．０℃と算出される。これと比較して、計測された温度のみを６００．０℃に変更した場合は、図２より補正量が６．０℃となり、補正後の温度は６０６．０℃となる。計測された温度が図２に示す２００．０、４００．０、６００．０℃とならずにそれらの中間や２００．０℃よりも小さく、あるいは６００．０℃よりも大きくなった場合は、次のようにして補正量を求める。すなわち、２００．０、４００．０、６００．０℃のデータをもとにして線形補間や２次曲線等による補間で補正量を求める。

特に有効な劣化試験の設定温度は、プレス時の型温度である。その理由は、温度検出子の劣化が高温となるプレス温度時に起こり易いからである。さらには、プレス前には型温度が定常になるのを比較的長い時間をかけて待つことが多く、温度補正量が最大となるからである（図３の温度プロファイル参照）。

なお、上記のような温度補正量のデータは、本実施形態で用いたＫタイプ熱電対に限られず、他のタイプの熱電対、測温抵抗体、サーミスタ等でも同様の手順で準備することができる。温度補正量データは、劣化試験時のヒータ種類、雰囲気や温度検出子の製作ロットごとに異なることがあるため、それぞれの条件で温度補正量データを予め準備しておくとよい。

次に、実際の光学素子の製造において温度補正量を算出する方法の例を以下に示す。図３に示されているのは、実際の製造時の成形プロセスであり、温度と時間についてプロットしたものである。まず、図３の温度−時間曲線と上記劣化試験の劣化試験温度及び経過時間とを関連づける。本実施形態では、実際の製造時の成形プロセスが、上記劣化試験温度でどの程度時間が経過したものと扱うのかを次のように行っている。例えば、図３で温度検出子が４５０．０〜５５０．０℃の状態であったのを劣化試験温度が５００℃の状態であったとする近似を行う。そして、その４５０．０〜５５０．０℃の温度範囲での経過時間（図中Ａの時間）をサイクルで積算した値を、劣化試験温度での経過時間と同等と見なした。同様に、５５０．０〜６５０．０℃の温度範囲は、劣化試験温度が６００℃の状態であったと近似した。この場合の１サイクル分の経過時間は図中Ｂとして抽出された。４５０．０℃以下の経過時間は、サイクルに含まれる割合が小さいため無視した。

上記の近似により関連づけられた、成形サイクル数と経過時間の関係を劣化試験温度ごとに図４に示す。図中の計算式のように、劣化試験温度ごとの経過時間は成形サイクル数と線形関係にある。最終的な温度の補正値は、図４と図２に示した補正量と経過時間との関係から算出される。例えば、図４のサイクル数が１００００の場合では、劣化試験温度が５００℃の状態での経過時間が３００時間であり、同６００℃の状態での経過時間が５００時間である。図２から、計測温度が４００．０℃のとき、劣化試験温度が５００℃で、経過時間が３００時間の場合の補正量は１．０℃、同様に、劣化試験温度が６００℃で、経過時間が５００時間の場合の補正量は１．３℃である。ここで、経過時間が０で計測温度が４００．０℃のときの温度検出子の初期誤差、本実施形態では０．９℃、を考慮すると、温度の補正量は、０．９と０．１と０．４を足し合わせた値、１．４℃となる。この補正量を計測温度４００．０℃に加算した値、４０１．４℃が補正後の温度となる。

本実施形態においては、５００℃と６００℃の２つの劣化試験温度における温度検出子の温度補正量を計測しているが、劣化試験温度が及ぼす補正量への影響が大きい場合は、さらに劣化試験温度の範囲と数を増加させると補正精度が向上する。また、実際に製造を行う成形プロセス若しくはそれと類似の成形プロセスの温度履歴を温度検出子に与えることで、成形サイクル数と温度補正量との関係を示すデータを得て、そのデータを用いて温度を補正するとさらに補正精度が向上する。特に、Ｋタイプの熱電対を使用する場合では、一般に知られるショートレンジ・オーダリングの影響で補正量が複雑に変化するので、実際に製造を行う成形プロセスで成形サイクル数と補正量のデータを測定しておくことが有効となる。当然ながら、上記各数値は温度検出子を加熱する部材や雰囲気によって変化するので、それに応じた適切なデータを取得することが求められる。

以上のようにして温度補正演算部で温度検出子の測温値が補正される。そして、その補正後の温度が温度制御部のＰＩＤ制御に使用されるので、絶対的な精度で温度制御ができるようになり、これによって高精度に光学素子を製造することが可能となる。

次に、もう１つ別の実施形態として、上記温度補正演算部が凝固点プラトー若しくは融点プラトーによって温度を補正して、光学素子を製造する方法について説明する。ここで、凝固点プラトー及び融点プラトーとは、ある物質を加熱又は冷却するとき、物質の凝固点及び融点の付近において時間経過による温度変化がほとんどなくなる状態のことを言う。

図５は本実施形態の構成を示しており、この構成では、参照番号７で示されている凝固点が６６０．３℃のＡｌを成形型内に埋め込み、そのＡｌの近接に温度検出子８を配置している。本実施形態では、用いる材料をＡｌとしたが、その他の凝固点温度が既知であり、熱間プレスにおける成形型の最高温度よりも低い融点又は凝固点を有する材料ならば適宜使用することができる。具体的には、一般的な熱間プレスの成形型の最高温度が１０００℃以下なので、凝固点が９６１℃のＡｇ、同４１９．５℃のＺｎ、同２３１．９℃のＳｎ、同１５６．６℃のＩｎなどが好適である。温度検出子８及び成形型はＡｌが溶融したとき腐食されないように、炭素材、アルミナ、ジルコニア及びマグネシア等で保護するのがよい。また、この保護は、Aｌ自体が変質し凝固点や融点温度が変化することを防止する狙いもある。なお、図５において、図１の装置と同様のところは同じ番号を記載し、説明は省略する。

図６は、図５の構成において成形型の温度を７００℃まで昇温させて、その後降温させたときに、温度検出子８で計測される温度−時間曲線を示したものである。昇温時には融点プラトー９、降温時には凝固点プラトー１０が観察できる。このプラトーを温度−時間曲線の傾きの変化からソフト的に検出する。そして、その検出結果から、そのときの計測温度が６６０．３℃となるように、図中ΔＴを温度検出子で計測された温度に加算するか、若しくは減算するかで、単純にシフトさせる。このとき、単純にシフトさせるだけではなく、ΔＴに温度係数をかけてから温度検出子で計測された温度に加算若しくは減算するとさらに補正精度が向上する。つまり、温度係数は、簡易的には、０〜６５５．１℃でΔＴが５．２℃になるとして、５．２／６５５．１で算出する。本実施形態ではＡｌを用いているため上記のような数値データとなっているが、当然、異なる金属を用いると数値データは変化するので、その用いる金属に応じた適切な処理を行えばよい。

上記ΔＴと温度係数により算出される温度補正量を図７に示す。なお、ここでは、前記の温度係数の考え方から、計測温度に対して温度補正量が線形となっているが、より補正精度を向上させようとする場合は、非線形となることもある。

以上のようにして温度補正演算部で温度検出子の計測値が補正される。そして、その補正後の温度が図示されていない計算機の温度制御部でＰＩＤ制御に使用されることで、少なくとも、物質（本実施形態ではＡｌ）の融点及び凝固点温度近辺では絶対的な精度で温度制御しながら成形を行うことができる。これによって、高精度な光学素子を製造することが可能となる。

本発明の光学素子の製造装置の一実施形態の概略図である。 本発明の製造方法の実施形態に係る補正量と経過時間との関係を説明する図である。 本発明の実施形態に係る成形プロセスを説明する図である。 本発明の実施形態に係る経過時間とサイクル数との関係を説明する図である。 本発明のもう１つ別の実施形態に係る光学素子の製造装置の成形型の概略図である。 本発明のもう１つ別の実施形態に係る融点及び凝固点プラトーを説明する図である。 本発明のもう１つ別の実施形態に係る補正量と計測温度との関係を説明する図である。

符号の説明

１ 成形型
２ 胴型
３ ヒータ
４ ヒータ加熱用電源
５ 温度検出子
６ 計算機
７ Ａｌ
８ 温度検出子

Claims (7)

1. 加熱された成形型で熱間プレスする、光学素子の製造装置において、
   前記成形型の温度を検出するための温度検出子の出力を用いて前記成形型の温度を計測する温度検出部と、
   前記温度検出部で計測した温度に含まれる計測誤差を算出して、温度補正を行う演算部と、を備え、
   補正された温度に基づき前記成形型の温度を制御することを特徴とする光学素子の製造装置。
2. 前記演算部は、前記計測誤差を、前記温度検出子の経時変化データに基づいて算出することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造装置。
3. 前記経時変化データは、前記温度検出子の温度履歴によって生ずる前記温度検出子の出力変化であることを特徴とする請求項２に記載の光学素子の製造装置。
4. 前記温度検出子は、前記熱間プレスにおける前記成形型の最高温度より低い融点又は凝固点を有する材料に接しており、
   前記演算部は、前記材料の凝固点プラトー又は融点プラトーの検出結果により前記計測誤差を算出して温度補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造装置。
5. 加熱された成形型で熱間プレスする、光学素子の製造方法において、
   前記光学素子の成形中に、
   前記成形型の温度を検出するための温度検出子の出力を用いて、温度検出部によって前記成形型の温度を計測する工程と、
   計測された温度に含まれる計測誤差を演算部によって算出して温度補正を行い、補正された温度に基づき前記成形型の温度を制御する工程と、
   を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
6. 前記成形型の温度を制御する工程は、前記温度検出子の経時変化データに基づいて前記演算部によって算出された前記計測誤差に基づき行われることを特徴とする請求項５に記載の光学素子の製造方法。
7. 前記成形型の温度を制御する工程は、前記温度検出子に接した、前記成形型の最高温度より低い融点又は凝固点を有する材料の凝固点プラトーあるいは融点プラトーの検出結果を用いて前記演算部によって算出された前記計測誤差に基づき行われることを特徴とする請求項５に記載の光学素子の製造方法。