JP2010126395A - 加熱装置及びプレス成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率を高めつつ、プリフォーム等のガラス塊や金型の温度を高め易くし、プレス成形に要する時間を短縮することが可能な加熱装置を提供する。
【解決手段】加熱装置１０は、プレス成形用の金型２０が載置されて加熱が行われる加熱面１５を有する加熱装置１０であって、熱源部１１と、前記熱源部１１に隣接し且つ前記加熱面１５を構成する、熱伝導率λ_１を有する高熱伝導材からなる伝熱部１２と、前記熱源部１１及び／又は前記加熱面１５を除いた前記伝熱部１２を被覆する、熱伝導率λ_２（λ_１＞λ_２）を有する低熱伝導材からなる遮熱部１３と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱装置及びプレス成形装置に関する。

従来、光学素子の製造は、板ガラスから切り出したガラスを研磨加工し、光学素子に近似した形状に研磨することで行われてきた。しかし、非球面レンズを作製する場合、かかる方法ではガラス素材の研磨コストが嵩むため、モールドプレスを用いてガラスの加圧成形を行い、非球面レンズを成形する方法が行われている。

この方法によれば、溶融ガラスからプリフォームを経て光学レンズを成形するため、板状のガラスから切断、加工、プレス、研削、及び研磨等の多段階の工程を経て光学レンズを製造する方法に比べ、リードタイムを短縮できるとともに、加工不良による歩留まりの低下を抑えることができ、結果としてコストを大幅に削減できる、といった利点がある。

モールドプレスは、通常は金型内にプリフォームをセットし、（場合によっては金型ごとに）プリフォームを加熱軟化させて圧力をかけることにより行われる。図４は、プリフォームをプレス成形する際に用いられる従来の加熱装置９１０の概略構成図である。図４に示されるように、従来の加熱装置９１０は、金型９２０の下型９２２が載置される載置面９１２に隣接した保持部９１３の中に熱源部９１１が設けられている。ここで、加熱装置９１０の載置面９１２は、熱伝導率の低い超硬合金素材（例えばＷＣ等）で構成されている。また、保持部９１３は、熱伝導率の高いセラミックス（例えばＡｌＮ、ＳｉＣ等）で構成されている（特許文献１、２参照）。
特開２００３−０９５６７３号公報 特開２００３−０２５１００号公報

図４に示された加熱装置９１０では、熱源部９１１から供給された熱エネルギーが熱源部９１１の周りを覆っている保持部９１３及び載置面９１２を介して金型９２０へと伝達することにより、金型９２０及びガラス塊（プリフォーム）Ｇが加熱される。

しかし、この加熱装置９１０では、保持部９１３を構成しているステンレス鋼素材の熱伝導率が約３０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以下と低いため、熱源部９１１から発した熱エネルギーの保持部９１３への伝達効率が悪い。

また、加熱装置９１０では、載置面９１２は保持部９１３の露出面の一部としか接触しておらず、保持部９１３の露出面を介して保持部９１３から載置面９１２へと熱エネルギーの一部は伝達されるが、載置面９１２と保持部９１３が接触していない面からの放熱が大きいため、載置面９１２への熱エネルギーの伝達効率が悪い。

また、加熱装置９１０では、載置面９１２は前述のように超硬合金素材で構成されているが、超硬合金素材の熱伝導率は約５０〜６０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１と低いため、保持部９１３から載置面９１２への熱エネルギーの伝達効率が悪い。

また、加熱装置９１０では、金型９２０の載置面９１２上における載置面積は載置面９１２の表面積の一部でしかなく、載置面９１２へ伝達された熱エネルギーのうち一部は金型９２０へと伝達されるが、載置面９１２と金型９２０が接触していない面からの放熱が大きいため、金型９２０への熱エネルギーの伝達効率が悪い。

以上のように、載置面９１２及び金型９２０への熱エネルギーの伝達効率が悪いため、熱源部９１１から供給される熱エネルギーのうち、保持部９１３及び載置面９１２を順次伝達し、金型９２０へと伝達される熱エネルギーは少ない。このため、金型９２０を所望の温度に加熱するには、より多くの熱エネルギーを熱源部９１１に供給する必要があった。また、多くの熱エネルギーを熱源部９１１に供給すると熱源部９１１の寿命が短くなり、熱源部９１１の交換頻度が多くなるため、熱源部９１１を交換する際の成形の中断によって生産効率が低下する。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、熱の伝達効率を高めつつ、プリフォーム等のガラス塊や金型の温度を高め易くし、加熱に要するエネルギーを最小限にし、且つプレス成形に要する平均の時間を短縮することが可能な加熱装置を提供することにある。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、熱源部に隣接し且つ金型を加熱する加熱面を構成する高熱伝導材からなる伝熱部と、熱源部及び／又は加熱面を除いた伝熱部を被覆する低熱伝導材からなる遮熱部と、を設けることにより、熱源部で発生した熱が伝熱部を通じて効率よく金型に伝えられつつ、熱源部及び／又は加熱面を除いた伝熱部からの熱の放出が遮熱部によって低減されることを見出し、本発明を完成するに至った。

（１） プレス成形用の金型が載置されて加熱が行われる加熱面を有する加熱装置であって、熱源部と、前記熱源部に隣接し且つ前記加熱面を構成する、熱伝導率λ_１を有する高熱伝導材からなる伝熱部と、前記熱源部及び／又は前記加熱面を除いた前記伝熱部を被覆する、熱伝導率λ_２（λ_１＞λ_２）を有する低熱伝導材からなる遮熱部と、を有する加熱装置。

（２） 前記高熱伝導材は、熱伝導率λ_１が１００Ｗ／ｍＫより大きい材料である（１）記載の加熱装置。

（３） 前記低熱伝導材は、熱伝導率λ_２が１００Ｗ／ｍＫより小さい材料である（１）又は（２）記載の加熱装置。

（４） 前記加熱面は酸化防止処理が施されている（１）から（３）のいずれか記載の加熱装置。

（５） （１）から（４）記載の加熱装置を有しており、ガラスプリフォームを前記金型でプレス成形するプレス成形装置。

（６） （５）記載のプレス成形装置を有する光学素子製造装置。

（７） （６）記載の光学素子製造装置で製造される光学素子を用いて光学機器を製造する光学機器製造装置。

本発明によれば、熱源部に隣接し且つ金型を加熱する加熱面を構成する高熱伝導材からなる伝熱部と、熱源部及び／又は加熱面を除いた伝熱部を被覆する低熱伝導材からなる遮熱部と、を設けることにより、熱源部で発生した熱が伝熱部を通じて効率よく金型に伝えられつつ、熱源部及び／又は加熱面を除いた伝熱部からの熱の放出が低減される。このため、熱の伝達効率を高めつつ、金型やガラス塊の温度を高め易くし、加熱に要するエネルギーを最小限にし、且つプレス成形に要する平均の時間を短縮することが可能な加熱装置を得ることができる。

本発明の加熱装置は、プレス成形用の金型が載置されて加熱が行われる加熱面を有する加熱装置であって、熱源部と、前記熱源部に隣接し且つ前記加熱面を構成する、熱伝導率λ_１を有する高熱伝導材からなる伝熱部と、前記熱源部及び／又は前記加熱面を除いた前記伝熱部を被覆する、熱伝導率λ_２（λ_１＞λ_２）を有する低熱伝導材からなる遮熱部と、を有する。

以下、加熱装置及びプレス成形装置の実施形態について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。なお、説明が重複する箇所については、適宜説明を省略する場合があるが、発明の趣旨を限定するものではない。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態は、熱源部１１と、熱源部１１に隣接し且つ加熱面１５を構成する伝熱部１２と、熱源部１１及び加熱面１５を除いた伝熱部１２を被覆する遮熱部１３と、を有する加熱装置１０である。図１は加熱装置１０の好ましい一例を示す断面図である。また、図２は加熱装置の変形例を示す断面図である。

［熱源部］
熱源部１１は、伝熱部１２及び金型２０の下型２２を介してガラス塊Ｇを加熱する。これにより、ガラス塊Ｇが軟化されるため、ガラス塊Ｇをプレスにより金型２０の内面形状に成形することができる。ここで、熱源部１１としては、伝熱部１２をガラス塊Ｇの成形温度に加熱できる手段であれば特に限定されないが、例えば赤外線加熱、ガスバーナー、誘導コイル、電熱線等を用いることができる。また、本実施形態では、説明の容易のために加熱装置１０を下型２２と接する位置にしか設けていないが、上型２１の側にも同様に加熱装置１０を設けてもよい。

［伝熱部］
伝熱部１２は高熱伝導材からなり、熱源部１１に隣接し且つ加熱面１５を構成する。これにより、熱源部１１で発生した熱が伝熱部１２を介して加熱面１５に伝えられるため、加熱面１５に設けられた金型２０を効率よく加熱することができる。従って、高熱伝導材の熱伝導率λ_１は、１００Ｗ／ｍＫ以上が好ましく、２００Ｗ／ｍＫ以上がより好ましく、３００Ｗ／ｍＫ以上が最も好ましい。また、伝熱部１２はプレス時に圧力が掛かり易く、又は金型２０との接触により傷が付き易いことから、高熱伝導材としてビッカース硬度が所定範囲内にある材料を用いることがより好ましい。これにより、金型を加熱面に移送してプレス成形を行う際に、加熱面及び／又は金型に生じる傷が低減されるため、加熱面と金型との接触状態を良好にできる。従って、高熱伝導材のビッカース硬度は、１０００Ｈｖ以上が好ましく、１２００Ｈｖ以上がより好ましく、１５００Ｈｖ以上が最も好ましい。このような高熱伝導材としては、例えばＳｉＣ等のセラミックが挙げられる。

この伝熱部１２によって形成される加熱面１５は、直接的に金型２０と接触する面である。加熱面１５が直接的に金型２０と接触することにより、加熱面１５から金型２０に直接的に熱が伝えられるため、加熱装置１０のエネルギー効率を高めることができる。ここで、加熱面１５は酸化防止処理が施されていることが好ましい。これにより、加熱面１５の内部に向かって高熱伝導材が酸化され難くなるため、高熱伝導材の酸化による伝熱部１２の伝熱性能の低下を抑えることができる。ここで、加熱面１５への酸化防止処理としては、伝熱部１２の表面に金属酸化物（例えばＡｌ_２Ｏ_３等）や金属窒化物（例えばＡｌＮ等）、金属炭化物（例えばＣｒＣ、ＴｉＣ等）、セラミックス（例えばＳｉＣ等）からなる酸化防止膜１４を形成する手段が挙げられる。

ここで、酸化防止膜１４の材料は、プレス時に圧力がかかり易く、又は金型２０との接触により傷が付き易いことから、ビッカース硬度が所定の範囲内にある材料を用いることが好ましい。これにより、金型２０を加熱面１５に移送してプレス成形を行う際に、加熱面１５及び／又は金型２０に生じる傷が低減されるため、加熱面１５と金型２０との接触状態を良好にできる。従って、酸化防止膜１４のビッカース硬度は、１０００Ｈｖ以上が好ましく、１２００Ｈｖ以上がより好ましく、１５００Ｈｖ以上が最も好ましい。酸化防止膜１４に所定の範囲内のビッカース硬度を有する材料を用いた場合、加熱面１５の表面に傷が発生し難くなるため、伝熱部１２の高熱伝導材のビッカース硬度は限定されない。このとき、伝熱部１２の高熱伝導材には、例えばＣｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等に代表される高熱伝導性材料、又はこれら１種以上を含む合金も用いることができる。

なお、本発明における加熱面１５は、直接的に金型２０と接触する面に限られるものではなく、例えば図２に示すように中間部材２５を介して金型２０と接触してもよい。このとき、例えば図示しない支持手段を中間部材２５の下側に設けることにより、中間部材２５が支持された状態で金型２０を移送することが好ましい。これにより、移送を行う際に加熱装置１０と金型２０とが接触し難くなるため、加熱装置１０が傷付くことを低減することができる。ここで、中間部材２５の材質は、中間部材２５を介した熱の伝導がスムーズになる点で、上述の高熱伝導材を用いることが好ましく、高熱伝導材の酸化による中間部材２５の伝熱性能の低下を抑えられる点で、中間部材２５の表面には上述と同様の酸化防止処理がなされていることが好ましい。

［遮熱部］
遮熱部１３は、低熱伝導材からなり、熱源部１１及び加熱面１５を除いた伝熱部１２を被覆する。これにより、伝熱部１２から伝えられた熱が遮熱部１３の外側に伝導され難くなるため、熱源部１１で発生した熱を加熱面１５以外の外部に逃げ難くすることができる。ここで、遮熱部１３を構成する低熱伝導材は、伝熱部１２を構成する高熱伝導材の熱伝導率λ_１よりも低い熱伝導率λ_２を有する材料であり、熱伝導率λ_２を所定値より小さくすることにより、遮熱部１３を通じた熱の流出が低減されるため、加熱装置１０における熱の伝達効率を高めることができる。従って、低熱伝導材の熱伝導率λ_２は、１００Ｗ／ｍＫ以下が好ましく、５０Ｗ／ｍＫ以下がより好ましく、１０Ｗ／ｍＫ以下が最も好ましい。このような低熱伝導材としては、例えばＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎ、Ｓｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌのうち１種以上からなる合金や、ＺｒＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３等のセラミック、ガラス等が挙げられる。なお、遮熱部１３はこれら低熱伝導材の板材等に限定されるものではなく、例えば伝熱部１２の表面に施される薄膜状の材料であってもよい。

また、低熱伝導材として、高熱伝導材の熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する材料を用いることが好ましい。これにより、伝熱部１２と遮熱部１３との剥離が低減されるため、剥離箇所からの熱の漏れを低減して加熱装置１０の熱効率を維持することができる。

本実施形態の加熱装置１０は、伝熱部１２と遮熱部１３とを備えるものである。これにより、熱源部１１で発生した熱が伝熱部１２の加熱面１５を通じて効率よく金型２０に伝えられつつ、熱源部１１及び／又は加熱面１５を除いた伝熱部１２からの熱の放出が遮熱部によって低減される。このため、エネルギー効率を高めつつ、金型２０やガラス塊Ｇの温度を高め易くし、プレス成形に要する時間を短縮することが可能な加熱装置１０を得ることができる。ここで、伝熱部１２と遮熱部１３とが設けられた加熱装置１０の加熱面１５の高さは、遮熱部１３の表面の高さ以上であってもよく、表面の高さ以下であってもよい。特に、加熱面１５の高さと遮熱部１３の表面の高さとが異なることにより、加熱面１５と遮熱部１３とによって形成された凹凸に金型２０を嵌め込んで金型２０を設置することが可能になるため、金型２０の位置決めをより容易に行うことができる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態は、上述の加熱装置１０を有するプレス成形装置１ａである。このプレス成形装置１ａは、上述の加熱装置１０と、上型２１及び下型２２を有する金型２０と、下型２２にガラス塊Ｇを供給する供給手段４０と、ガラス塊Ｇを押圧する押圧手段３１と、下型２２から光学素子Ｍを取り出す取出手段６０と、を有する。図３はプレス成形装置１ａの好ましい一例を示す斜視図である。

〔金型〕
金型２０は、上型２１及び下型２２を有しており、これら上型２１及び下型２２はそれぞれ成形面２６、２７を有する。成形面２６、２７の形状は、作製される光学素子の形状によって適宜設定される。ここで、加熱面１５に隣接し且つ上型２１及び下型２２を取り囲むように胴型２３を設けることが好ましい。これにより、加熱面１５から胴型２３を介して上型２１及び下型２２に熱が伝わり易くなるため、上型２１及び下型２２の温度差を低減し、ガラス塊Ｇのうち特に上型２１に近い側を成形し易くすることができる。金型２０の材質は、ガラスの硬さやガラス転移点（Ｔｇ）等に応じて適宜設定されるが、ＷＣ（タングステンカーバイド）、ＳｉＣ等の公知の型材料を用いることができる。なお、上型２１及び下型２２の成形面２６、２７には、公知の保護膜が形成されていてもよい。

〔供給手段〕
下型２２にガラス塊Ｇを供給する供給手段４０は、ガラス塊Ｇの大きさや金型２０の形状等に応じて適宜選択できるが、例えば図３に示すような、連接されたポンプ４２の吸引力によってガラス塊Ｇを吸着して保持する吸着手段４１を用いることができる。

このプレス成形装置１ａでは、供給手段４０を用いてガラス塊Ｇを金型２０の下型２２に供給した後、上型２１及び下型２２を金型２０に組み立てる。ここで、上型２１及び下型２２を金型２０に組み立てる手段は、特に限定されるものではないが、例えば図３に示すように、下型２２を載置台７１に載置して保持具５１の下側に移送し、胴型２３を保持具５１で持ち上げて下型２２を取り囲むように設け、胴型２３及び下型２２を保持具５２の下側に移送し、上型２１を保持具５２で持ち上げて下型２２の設けられた胴型２３に挿入して金型２０に組み立てる。

〔押圧手段〕
押圧手段３１は、加熱装置１０によって加熱されて軟化されたガラス塊Ｇを押圧してプレス成形し、ガラス塊Ｇを所望の形状に成形する。押圧手段３１のうち上型２１に隣接する押圧面３２は、上型２１を水平方向について均等な力で押圧できる形状になっており、より具体的には上型２１の上面を覆う形状の水平面が用いられる。ここで、押圧手段３１のうち押圧面３２を含む部分の材質は、上述の遮熱部１３と同様の低熱伝導材を用いることが好ましい。これにより、プレス成形を行う際に押圧面３２を介して熱が逃げ難くなるため、上型２１の温度の低下を抑制し、プレス成形を行い易くすることができる。

加熱装置１０と押圧手段３１を用いたプレス成形を行った後、金型２０を上型２１及び下型２２に分解する。ここで、金型２０を分解する手段は特に限定されるものではないが、例えば図３に示すように、金型２０を保持具５３の下側に移送し、上型２１を保持具５３で持ち上げて取り外した後、胴型２３及び下型２２を保持具５４の下側に移送し、胴型２３を保持具５４で持ち上げて取り外す。

〔取出手段〕
載置台７１に残された下型２２から光学素子Ｍを取り出す取出手段６０は、上述の供給手段４０と同様に、供給するガラス塊Ｇの大きさや金型２０の形状等に応じて適宜選択できるが、例えば図３に示すような、連接されたポンプ６２の吸引力によってガラス塊Ｇを吸着して保持する吸着手段６１を用いることができる。

［光学機器の作製］
上述のプレス成形装置によって、レンズやプリズム等の光学素子Ｍが作製される。また、プレス成形装置１ａを有する光学素子製造装置によって製造される光学素子Ｍを用いて、カメラやプロジェクタ等の光学機器を製造することも好ましい。これにより、高い熱効率且つ短い時間でガラス塊Ｇがプレス成形されるため、光学素子Ｍ及び光学機器の製造コストを低減することができる。

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

加熱装置として、赤外線加熱機構を有する縦８０ｍｍ×横８０ｍｍ×高さ１０ｍｍの熱源部を用いた。この熱源部の上側に隣接するように、高熱伝導材であるＳｉＣ（熱伝導率λ_１＝２７０Ｗ／ｍＫ、ビッカース硬度２３００Ｈｖ、熱膨張係数４．５×１０^−６／Ｋ）からなり、φ２０ｍｍの加熱面を有する伝熱部を設けた。ここで、伝熱部の加熱面には、ＡｌＮからなる酸化防止膜を形成した。一方、熱源部及び加熱面を除いた伝熱部の周囲に、厚さ５ｍｍのＺｒＯ_２（熱伝導率λ_２＝４Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数１０×１０^−６／Ｋ）からなる遮熱部を設けた。

一方、プレス成形用の金型として、ＷＣからなる円柱状の上型及び下型（それぞれ外径１０ｍｍ、高さ１０ｍｍ）並びに筒状の胴型（内径１０ｍｍ、外径１８ｍｍ、高さ２１ｍｍ）を有し、上型及び下型の成形面にＣを主成分とする保護膜が形成された金型を用いた。

ここで、金型の上型をプレス成形装置の所定の保持具に取り付け、下型を載置台に載置し、下型を取り囲むように胴型を設けた。そして、ポンプに連接された吸着手段を供給手段として用いて、ガラス塊を金型の下型に供給した後、上型を下型の設けられた胴型に挿入して金型に組み立てた。

次いで、下型と胴型の底面を加熱面に隣接させた後、上述の加熱手段で加熱してガラス塊を軟化しつつ、押圧手段を用いて上型を降ろしてガラス塊を押圧し、ガラス塊をプレス成形した。

プレス成形を行った後、金型の上型を保持具で持ち上げて取り外した後、胴型を保持具で持ち上げて取り外し、金型を上型及び下型に分解し、ポンプに連接された吸着手段を取出手段として用いて光学素子を下型から取り出した。

比較例として、遮熱部を備えていない加熱装置を用いた場合についても、実施例と同様の試験を行った。

その結果、伝熱部と遮熱部とを備えた加熱装置を用いた場合は、遮熱部を備えていない場合に比べて、熱源部へ供給するエネルギー（電気出力）が３０％減少し、ガラス塊が軟化するまでに要する平均の時間も１０％短縮した。実施例と比較例の金型の成形面について比較すると、熱源部で発生した熱が伝熱部を通じて効率よく金型に伝えられつつ、熱源部及び／又は加熱面を除いた伝熱部からの熱の放出が低減されるため、加熱装置における熱の伝達効率を高めつつ、金型やガラス塊の温度を高め易くし、加熱に要するエネルギーを低減し、且つプレス成形に要する平均の時間を短縮できることがわかる。

第１実施形態の加熱装置の好ましい一例を示す断面図である。 第１実施形態の加熱装置の変形例を示す断面図である。 第２実施形態のプレス成形装置の好ましい一例を示す斜視図である。 従来の加熱装置の好ましい一例を示す断面図である。

符号の説明

１ プレス成形装置
１０ 加熱装置
１１ 熱源部
１２ 伝熱部
１３ 遮熱部
１４ 酸化防止膜
１５ 加熱面
２０ 金型
２１ 上型
２２ 下型
２３ 胴型
２５ 中間部材
２６、２７ 成形面
３１ 押圧手段
３２ 押圧面
４０ 供給手段
６０ 取出手段
４１、６１ 吸着手段
４２、６２ ポンプ
５１〜５４ 保持具
７１ 載置台

Claims (7)

1. プレス成形用の金型が載置されて加熱が行われる加熱面を有する加熱装置であって、
   熱源部と、
   前記熱源部に隣接し且つ前記加熱面を構成する、熱伝導率λ_１を有する高熱伝導材からなる伝熱部と、
   前記熱源部及び／又は前記加熱面を除いた前記伝熱部を被覆する、熱伝導率λ_２（λ_１＞λ_２）を有する低熱伝導材からなる遮熱部と、を有する加熱装置。
2. 前記高熱伝導材は、熱伝導率λ_１が１００Ｗ／ｍＫより大きい材料である請求項１記載の加熱装置。
3. 前記低熱伝導材は、熱伝導率λ_２が１００Ｗ／ｍＫより小さい材料である請求項１又は２記載の加熱装置。
4. 前記加熱面は酸化防止処理が施されている請求項１から３のいずれか記載の加熱装置。
5. 請求項１から４記載の加熱装置を有しており、
   ガラスプリフォームを前記金型でプレス成形するプレス成形装置。
6. 請求項５記載のプレス成形装置を有する光学素子製造装置。
7. 請求項６記載の光学素子製造装置で製造される光学素子を用いて光学機器を製造する光学機器製造装置。

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