JP2010269988A - 成形装置および成形型 - Google Patents

Abstract

【課題】成形型の加熱効率を低下させることなく、成形型の内部の成形素材の温度を均一化して高精度かつ高効率な成形を行う。
【解決手段】筒状の胴型１４の内部に上型１２および下型１３を対向して挿入し、上型１２の成形面１２ａと下型１３の成形面１３ａおよび胴型１４の内周面によって成形空間Ｓを構成し、この成形空間Ｓに位置する光学素子素材１６を所定の温度に加熱してプレス成形する成形型１１において、胴型１４の外周部に全周にわたって断熱部材１５を一体に設け、断熱部材１５の断熱効果によって、外部の温度分布の影響を受けることなく、内部の光学素子素材１６の温度分布を均一に維持しつつ、保温効果による加熱効率の向上を実現し、高精度かつ高効率な成形を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、成形装置および成形型に関する。

たとえば、光学素子の製造技術として、成形型を用いてガラス素材のプレス成形を行うことが知られている。
すなわち、筒状の胴型の両端に対向して挿入された上型および下型の間に光学ガラス素材を挟んで加熱軟化させつつ挟圧してレンズ成形品を得るものである。

ところで、このようなガラス素材のプレス成形では、成形型内に実装されたガラス素材を加熱して軟化させるため、成形型内のガラス素材の温度を均一に保つことが良好な成形結果を得るために重要となる。

ところが、成形型が加熱される加熱チャンバは温度分布が不均一であることが多く、そのままでは、成形型内に実装された光学ガラス素材の温度分布が不均一となることが懸念される。

このため、特許文献１に開示される技術では、胴型の外側に、当該胴型よりも大径の断熱筒を組合せ、胴型と断熱筒との間に間隙が形成される状態で成形装置の加熱チャンバ内に供給する対策が開示されている。

これにより、胴型と断熱筒との間に形成される間隙により、加熱チャンバ内の温度の偏在の影響が緩和され、成形型内の温度のバラツキが小さくなり、結果として、光学ガラス素材内の温度のバラツキも小さくなり、成形の精度が向上し、ひいては上型に接するヒータによる加熱の効率も向上するとしている。

しかしながら、上述の特許文献１の技術では、成形型の本来の成形機能として必要でない断熱筒を胴型の外側に付加した構成であるため、断熱筒の分だけ加熱や冷却の対象となる質量が増加し、成形装置における成形型の加熱効率が低下し、成形に必要なエネルギー量が増加してしまう、という技術的課題がある。

また、成形型に対する成形装置の加熱能力が一定である仮定すると、光学ガラス素材を目的の軟化温度まで昇温させるための所要時間が長くなり、成形装置における成形能力の低下を来たす懸念が高い。

特許第２８３６２３０号公報

本発明の目的は、成形型の加熱効率を低下させることなく、成形型の内部の成形素材の温度を均一化して高精度かつ高効率な成形を行うことが可能な技術を提供することにある。

本発明の第１の観点は、成形素材を挟んで成形する第１型部材および第２型部材と、
前記第１型部材および前記第２型部材の位置を規制する胴型と、
前記第１型部材および前記第２型部材の少なくとも一方を加熱する加熱手段と、を備え、
前記胴型は、少なくとも一部に断熱部を一体に有する成形装置を提供する。

本発明の第２の観点は、成形素材を挟んで成形する第１型部材および第２型部材と、
前記第１型部材および前記第２型部材に嵌合し、少なくとも一部に断熱部を一体に有する胴型と、
を具備した成形型を提供する。

本発明によれば、成形型の加熱効率を低下させることなく、成形型の内部の成形素材の温度を均一化して高精度かつ高効率な成形を行うことが可能な技術を提供することができる。

本発明の一実施の形態である成形型の構成の一例を示す断面図である。 本発明の一実施の形態である成形装置の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態である成形型の構成の一例を示す断面図である。

本実施の形態では、一態様として、加熱されたプレートで上下方向から成形型を挟み込み、成形型内の光学素子材料を加熱し、成形の段階毎に、プレート上で成形型を移動させ、成形工程の各段階毎に加熱する温度や成形型を挟み込む力等を変更しながら光学素子を成形する成形装置に供される成形型において、上型、下型及び胴型を備え、胴型の外周部に断熱の為の構造を一体に持つ構成を例示する。

本態様の成形型の構成によれば、成形型は最外周部に断熱機能を持つことになり、成形型全体で見れば、外周を断熱されたブロック状の物体の中央部分に、光学素子素材が配置されているので、光学素子素材内における温度分布の偏りは極めて小さくなる。

更に、胴型の周囲に別部品を必要としないので、成形型の構造が単純で小形であり、必要以上に成形型の体積、さらには熱容量の増加を招くことも無く、光学素子素材内の温度分布を小さく保ち、成形の精度を維持したまま、従来よりも成形に要するエネルギー量を減らすことができる。

これにより、成形の精度を維持したまま、エネルギー効率の向上を達成できるとともに、さらに成形型を所定の温度まで加熱するための所要時間を短縮して成形装置の成形能力を向上させることが可能となる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

なお、本実施の形態では、各図において、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向は図示の通りとし、左右方向をＸ方向、上下方向をＺ方向、紙面に垂直な方向をＹ方向として説明する。また、一例として、Ｚ方向は鉛直方向、Ｘ−Ｙ平面は水平面とする。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である成形型の構成の一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成形装置の構成の一例を示す斜視図である。

図１に例示されるように、本実施の形態の成形型１１は、下型１３（第２型部材）と、この下型１３に対してＺ方向に近接および離間するように昇降変位可能な上型１２（第１型部材）及びこの上型１２をガイドする胴型１４とからなり、胴型１４の内部で、下型１３の成形面１３ａと上型１２の成形面１２ａが対向して成形空間Ｓが構成されている。

そして、たとえば光学ガラス等からなる光学素子素材１６（成形素材）は下型１３と上型１２との間に形成される上述の成形空間Ｓに装填される。
更に、胴型１４の側面には、Ｚ方向のほぼ中央の高さ位置に、成形空間Ｓに連通する空気穴１７が１箇所以上設けられており、上型１２が上下しても、上型１２と下型１３の間の成形空間Ｓの圧力が、成形型１１の周囲の外気圧と同一になる様になっている。

また、この胴型１４に設けられた空気穴１７は、成形空間Ｓの雰囲気を後述のような不活性ガスに置換する作用もなす。
なお、図１の例では空気穴１７は胴型１４の外周から内部へ水平方向に直線状に配設されているが、成形型１１の内部の成形空間Ｓと成形型１１の周囲の空間が連通されていれば、特に上述の形状に限定されない。

本実施の形態の成形型１１の場合、胴型１４の外周部には断熱部材１５（断熱部）が、当該胴型１４と一体になる様に固定されている。
この断熱部材１５は、たとえば、ステンレスやセラミックス等のように、胴型１４よりも熱伝導率の小さい断熱性の良好な断熱素材で構成されている。

本実施の形態の場合、断熱部材１５を胴型１４に一体に配置する方法としては、たとえば、胴型１４のＺ方向の高さに概一致する長さに短冊状に切断されるとともに、胴型１４の外周と同じ曲率半径をもつように成形されたセラミックス等の断熱素材の断片を全周に貼りつける方法が考えられる。

また、成形温度でも弛緩しない温度条件の焼き嵌めや冷し嵌めによって、胴型１４の外周に筒状の断熱部材１５を一体に固定する方法でもよい。
さらには、胴型１４の外周部を所望の厚さで断熱性の高い多孔質のスポンジ金属で形成することにより断熱部材１５を一体に配置する構成としてもよい。

さらには、断熱性のセラミックスの粉体を樹脂に分散させた塗料を胴型１４の外周に塗布して乾燥させることで胴型１４の表面に断熱部材１５を一体に形成する方法でもよい。
さらには、胴型１４の全体を多孔質のスポンジ金属で構成することにより、胴型１４の全体が断熱部材１５として機能する構成としてもよい。

このように、本実施の形態の成形型１１では、後述のように、下型１３および上型１２からの熱伝導によって、成形空間Ｓの内部に配置された光学素子素材１６を加熱する場合に、断熱部材１５によって胴型１４から放散する熱量を削減して光学素子素材１６を効率良く加熱できる。

また、胴型１４が断熱部材１５によって覆われていることにより、外部空間の温度の偏りが、成形型１１の内部の光学素子素材１６の温度分布に影響することを防止して、光学素子素材１６の温度分布の偏りを小さくして、均一に加熱できる。

次に、図２を参照して、上述の成形型１１を使用する本実施の形態の成形装置１００の構成について説明する。
本実施の形態の成形装置１００は、雰囲気置換部１０１、投入竿１０５、ワークセット部１０６、送り竿１０７、成形室１０８、製品取り出し部１０９、を備えている。
なお、図２では、内部を可視化するため、一部壁面を破断して例示しているが、雰囲気置換部１０１および成形室１０８は密閉構造である。

成形室１０８には、複数の加熱部１２０ａ、プレス部１２０ｂ、複数の冷却部１２０ｃが、外部から投入される後述の成形型１１の移動方向（この場合、Ｘ方向）に沿って配列されている。
加熱部１２０ａ、プレス部１２０ｂ、冷却部１２０ｃの各々は、下側温調プレート１２１（加熱手段）、上側温調プレート１２２（加熱手段）、シリンダ１２３を備えている。

下側温調プレート１２１および上側温調プレート１２２は、到来する後述の成形型１１の下型１３および上型１２を上下の対向方向に挟持して、所定の温度に加熱あるいは冷却する動作を行う。

上側温調プレート１２２は、シリンダ１２３の下端に支持されて昇降し、下側温調プレート１２１との間で成形型１１を所望の荷重で挟持したり、挟圧して加圧する動作が可能になっている。

この場合、複数の加熱部１２０ａでは、下側温調プレート１２１および上側温調プレート１２２は、所望の当接荷重で成形型１１を挟持して段階的に成形温度まで加熱する動作を行う。

また、プレス部１２０ｂでは、所望の成形温度に加熱した状態で、下側温調プレート１２１および上側温調プレート１２２で、所望の成形荷重を成形型１１の下型１３および上型１２に加える加圧成形動作が行われる。

また、複数の冷却部１２０ｃでは、下側温調プレート１２１と上側温調プレート１２２の間に成形型１１を挟持して上述の成形温度から室温程度まで段階的に冷却する動作が行われる。
この成形室１０８に対する成形型１１の投入側には、雰囲気置換部１０１が図示しない扉を介して接続され、払い出し側には、図示しない扉を介して製品取り出し部１０９が配置されている。

加熱部１２０ａ、プレス部１２０ｂ及び冷却部１２０ｃが収容される成形室１０８の内部は不活性ガス雰囲気に置換されている。

その理由は、成形型１１による光学素子の成形を行う時は、特に、その加熱及びプレス時に、成形型１１の内部の光学素子素材１６の表面や、成形型１１、上型１２の表面に酸化被膜が形成されることを防止するためである。

雰囲気置換部１０１は、成形室１０８に投入される成形型１１の内部の光学素子素材１６が位置する成形空間Ｓの雰囲気を、空気穴１７等を介して予め不活性ガスに置換する処理を行うために設けられている。

投入竿１０５は、ワークセット部１０６から雰囲気置換部１０１に成形型１１を移動させる動作、および雰囲気置換部１０１から成形室１０８に対して成形型１１を投入する動作を行う。

成形室１０８の内部に設けられた送り竿１０７は、Ｘ方向に配列された複数の加熱部１２０ａ、プレス部１２０ｂ、複数の冷却部１２０ｃの各々の位置に、成形型１１を逐次的に移動させる動作を行う。

また送り竿１０７は、成形型１１の移動方向における終端の冷却部１２０ｃの位置から外部の製品取り出し部１０９に成形型１１を払い出す動作を行う。

なお、雰囲気置換部１０１や成形室１０８における成形型１１の移動方法としては、投入竿１０５や送り竿１０７を用いる構成に限らず、例えば無端搬送路に沿って成形型１１を搬送する構成でもよい。
以下、本実施の形態の成形型１１および成形装置１００の作用を説明する。

まず、外部のワークセット部１０６において、成形型１１の内部の成形空間Ｓに図１のように光学素子素材１６を装填し、光学素子素材１６が装填された成形型１１を、投入竿１０５を用いて図示しない扉を経由して雰囲気置換部１０１に送り込む。

この雰囲気置換部１０１では、成形型１１の成形空間Ｓ等から空気穴１７等を通じて空気を排出させて、不活性ガス雰囲気に置換する。具体的には、一例として、成形型１１が位置する雰囲気置換部１０１の内部を一旦真空排気した後、不活性ガスを流入させて常圧に復帰させることで、成形型１１の内部を不活性ガスに置換する。

次に、成形空間Ｓ等が不活性ガスに置換された成形型１１を、図示しない扉を経由して、投入竿１０５によって複数の加熱部１２０ａに送り込み、個々の加熱部１２０ａを構成する下側温調プレート１２１と上側温調プレート１２２の間で挟持し、光学素子素材１６を所定の温度にまで加熱して軟化させる加熱処理を多段階で行う。

その後に、成形型１１をプレス部１２０ｂに移動させ、このプレス部１２０ｂを構成する下側温調プレート１２１と下側温調プレート１２１の間に成形型１１を挟持し、シリンダ１２３によって上側温調プレート１２２下降させることで、成形型１１の上型１２を押圧して、軟化した光学素子素材１６を下型１３との間でプレス成形し、上型１２の成形面１２ａおよび下型１３の成形面１３ａを光学素子素材１６に転写する。

そして、プレス成形が完了した後、シリンダ１２３によって上側温調プレート１２２を上昇させて上型１２から離間させる。
そして、成形型１１を複数の冷却部１２０ｃに移動させ、個々の冷却部１２０ｃにおいて下側温調プレート１２１と上側温調プレート１２２の間で成形型１１を挟持することで、多段階に徐々に冷却する。

そして、所定の冷却温度に成形型１１が冷却された後、成形型１１を図示しない扉を経由して成形室１０８から製品取り出し部１０９に移行させて、光学素子素材１６から成形された図示しない光学素子等の成形品を成形型１１から取り出す。

ここで、前述した光学素子素材１６の成形を行うに当って、加熱部１２０ａにおいて光学素子素材１６を所定の成形温度となるように加熱し、しかもこの加熱は光学素子素材１６全体が均一な温度となるように制御することが必要である。

設定温度より高すぎたり、低すぎたりしても成形品の品質の安定を図ることができず、また、光学素子素材１６の加熱が不均一になっていると、形状等に歪が生じて、成形品の品質が低下することになる。

本実施の形態では、上述のように、胴型１４の外周部には断熱部材１５が胴型１４と一体になる様に固定されているので、外部の温度分布偏りの影響を受けることなく、成形型１１の成形空間Ｓに装填された光学ガラス等の光学素子素材１６の均一加熱を実現できる。

すなわち、比較的広い成形室１０８の内部において、プレス成形が行われるプレス部１２０ｂの前後には、プレス部１２０ｂよりも低温の加熱部１２０ａおよび冷却部１２０ｃが位置しており、成形室１０８の内部の温度分布は不均一となっているが、本実施の形態の成形型１１では、胴型１４に一体に設けられた断熱部材１５により周囲を囲まれた成形型１１の内部から熱が外部に放散することが防止されるので、断熱部材１５の内側は均一な温度状態に保たれる。

これにより、成形型１１の内部の光学素子素材１６はその全体が均一に加熱されることになり、光学素子素材１６をプレスして光学素子を成形したときに、この光学素子に歪等が発生することはなく、高精度の光学素子を成形できる。

また、光学素子素材１６を加熱および成形するのに必要な成形型１１の構成において、最低限必要な上型１２、下型１３、胴型１４に対して余分な別部品を追加していないので、成形型１１は簡易かつ小形な構造となり、成形型１１の体積や熱容量を増加させることなく、光学素子素材１６の均一加熱によるプレス成形によって高精度な光学素子を、従来よりも少ない熱量で成形することが可能となる。

また、成形型１１の体積や熱容量が増加しないため、プレス部１２０ｂでは、成形型１１を目的の成形温度で加熱するための所要時間が短縮され、成形装置１００における単位時間あたりの成形型１１の成形処理数量が増加し、得られる光学素子の精度を高く維持しつつ、成形装置１００の生産能力、すなわち成形工程での生産性を向上させることができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の他の実施の形態である成形型の構成の一例を示す断面図である。

この実施の形態２の成形型２１では、上述の図１の成形型１１と同様に、胴型２４の内部で、下型２３の成形面２３ａおよび上型２２の成形面２２ａを対向させて光学素子素材１６が配置される成形空間Ｓを構成し、胴型２４に設けられた空気穴２７によって成形空間Ｓが外気に連通する構成において、図１の断熱部材１５の代わりに、胴型２４の外周部に空気層２５ａ（断熱部）を形成する複数の空洞部２５（断熱部）を配した構造となっている。

すなわち、この複数の空洞部２５は、胴型２４における中央部の空気穴２７を挟む上下の壁面内に全週にわたって円環状に穿設された構成となっている。

また、複数の空洞部２５の各々には、当該空洞部２５を外気に連通させる空気穴２５ｂが形成されている。この空気穴２５ｂにより、空洞部２５が密閉空間になり、加熱により空気層２５ａが膨張して胴型２４が変形することを防止している。

なお、本実施の形態２の成形型２１では、空気層２５ａを形成する複数の空洞部２５を、胴型２４の壁面内に上下に分離して配置し、その各々に空気穴２５ｂを形成しているが、これに限らず、たとえば、空気穴２７の上下に位置する複数の空洞部２５の各々を上下方向に大きくして単一の空洞部２５を形成し、胴型２４を貫通する空気穴２７が、空洞部２５を貫通する構成とすることにより、空気穴２７が上述の空気穴２５ｂの機能を兼ねる構成とすることも可能である。

また、空気穴２５ｂを省略し、空気層２５ａを形成する空洞部２５を密閉構造とするとともに、当該空洞部２５の内部を真空とすることで、胴型２４に空気層２５ａを設ける場合よりも更に大きな断熱効果を実現することも可能である。

このように、本実施の形態の成形型２１の場合には、空気層２５ａまたは真空断熱により断熱を行う空洞部２５により、上述の実施の形態１に例示した成形型１１と同様な効果を実現できる。

以上説明したように、本発明の各実施の形態によれば、光学素子素材１６の均一な加熱により高精度な光学素子等の成形を可能にしつつ、従来よりもプレス成形に要するエネルギー量を減らすことにより、成形装置１００における成形能力の向上、省エネルギー化の実現、生産性の向上を実現することが可能となる。

すなわち、成形型の加熱効率を低下させることなく、成形型の内部の成形素材の温度を均一化して高精度かつ高効率な成形を行うことが可能な技術を提供することができる。
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、加熱部１２０ａ、プレス部１２０ｂ、冷却部１２０ｃの各部の間で成形型１１を移動させながら成形を行う例を示したが、同一の位置で、すなわち、単一の下側温調プレート１２１、上側温調プレート１２２、シリンダ１２３の構成で、成形型１１の加熱、プレス成形、冷却を順次行う、いわゆる単軸型の成形装置の構成としてもよい。
また、成形品としては光学素子に限らず、一般の成形品に広く適用できる。

（付記）
上下から、加熱されたプレートで成形型を挟み込み、成形型内の光学素子材料を加熱し、成形の段階毎に、プレート上で成形型を移動させ、各段階毎に、加熱する温度や成形型を挟み込む力等を変更しながら、光学素子を成形する装置に供される成形型において、上型、下型及び胴型を備えた光学素子成形用の成形型であり、胴型の外周部に断熱の為の構造を持つことを特徴とする光学素子成形用の成形型。

１１ 成形型
１２ 上型
１２ａ 成形面
１３ 下型
１３ａ 成形面
１４ 胴型
１５ 断熱部材
１６ 光学素子素材
１７ 空気穴
２１ 成形型
２２ 上型
２２ａ 成形面
２３ 下型
２３ａ 成形面
２４ 胴型
２５ 空洞部
２５ａ 空気層
２５ｂ 空気穴
２７ 空気穴
１００ 成形装置
１０１ 雰囲気置換部
１０５ 投入竿
１０６ ワークセット部
１０７ 送り竿
１０８ 成形室
１０９ 製品取り出し部
１２０ａ 加熱部
１２０ｂ プレス部
１２０ｃ 冷却部
１２１ 下側温調プレート
１２２ 上側温調プレート
１２３ シリンダ
Ｓ 成形空間

Claims (5)

1. 成形素材を挟んで成形する第１型部材および第２型部材と、
   前記第１型部材および前記第２型部材の位置を規制する胴型と、
   前記第１型部材および前記第２型部材の少なくとも一方を加熱する加熱手段と、を備え、
   前記胴型は、少なくとも一部に断熱部を一体に有することを特徴とする成形装置。
2. 前記断熱部は、前記胴型に一体に設けられた断熱部材であることを特徴とする請求項１記載の成形装置。
3. 前記断熱部は、前記胴型に設けられた空洞であることを特徴とする請求項１記載の成形装置。
4. 前記断熱部は、前記胴型の外周部に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の成形装置。
5. 成形素材を挟んで成形する第１型部材および第２型部材と、
   前記第１型部材および前記第２型部材に嵌合し、少なくとも一部に断熱部を一体に有する胴型と、
   を具備したことを特徴とする成形型。